【導(dǎo)讀】工業(yè)和汽車開關(guān)轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都需要體積小、效率高、電氣噪聲低的金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。雙 MOSFET 方法有助于滿足這些要求。
工業(yè)和汽車開關(guān)轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都需要體積小、效率高、電氣噪聲低的金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。雙 MOSFET 方法有助于滿足這些要求。
設(shè)計(jì)精良的雙 MOSFET 將兩個(gè) MOSFET 置于在一個(gè)封裝內(nèi)，減小了在印刷電路板 (PCB) 上的占用空間，降低了寄生電感并通過改善散熱性能，取消了體積龐大、成本高昂的散熱器。這類器件可在數(shù)百千赫茲 (kHz) 頻率下進(jìn)行無干擾開關(guān)操作，在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，而且漏電流很低。然而，設(shè)計(jì)人員必須了解這類器件的工作特性，才能充分認(rèn)識(shí)其優(yōu)勢。
本文以 Nexperia 的雙 MOSFET 為例進(jìn)行介紹，并說明設(shè)計(jì)人員如何使用這類器件來應(yīng)對(duì)堅(jiān)固耐用、效率高和空間受限型設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。本文討論電路優(yōu)化和 PCB 設(shè)計(jì)方法，并提供熱電仿真和損耗分析的技巧。
高開關(guān)速度下效率更高
雙 MOSFET 適合許多汽車 (AEC-Q101) 和工業(yè)應(yīng)用，包括 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器、電機(jī)逆變器和電磁閥控制器。這些應(yīng)用可在開關(guān)對(duì)和半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其他配置中使用雙 MOSFET。
Nexperia LFPAK56D 系列是值得一提的雙 MOSFET 器件。該系列器件采用了 Nexperia 的銅夾技術(shù)，具有超強(qiáng)的電流能力、低封裝阻抗和高可靠性（圖 1，右）。這些實(shí)心銅夾改善了從半導(dǎo)體基板通過焊接點(diǎn)到 PCB 的散熱性能，使約 30% 的總熱量通過源引腳消散。大銅截面還能降低阻性功率耗散，并通過減少寄生線路電感來抑制瞬時(shí)振蕩。
圖 1：LFPAK56D 封裝（右）集成了兩個(gè)獨(dú)立的 MOSFET，并使用與 LFPAK56 單 MOSFET 封裝（左）類似的銅夾結(jié)構(gòu)。（圖片來源：Nexperia）
與大多數(shù)用于高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的部件一樣，LFPAK56D 采用了超結(jié)技術(shù)。這種設(shè)計(jì)減小了漏源極“導(dǎo)通”電阻 (RDS(on))和柵漏極電荷 (QGD) 參數(shù)，從而最大限度地減少了功率損耗。在同一基板上運(yùn)行兩個(gè) MOSFET，可進(jìn)一步降低漏源極電阻。
正如超結(jié) MOSFET 一樣，LFPAK56D 系列具有很強(qiáng)的雪崩事件抵抗能力，并具有很寬的安全工作區(qū) (SOA)。例如，PSMN029-100HLX TrenchMOS 器件中的每個(gè) 100 V MOSFET 都具有 29 mΩ RDS(on)，可處理 68 W 功率，并能夠能通過高達(dá) 30 A 的電流。
LFPAK56D 系列還采用了 NXP 的 SchottkyPlus 技術(shù)，以減少尖峰和漏電流。例如，PSMN014-40HLDX 的 RDS(on) 典型值通常為 11.4 mΩ，且漏源極漏電流極低，僅為 10 nA。
要充分發(fā)揮 MOSFET 的大電流優(yōu)勢，印刷電路板的設(shè)計(jì)必須能散發(fā)高熱量并確保電氣連接穩(wěn)定可靠。多層印刷電路板具有足夠多的過孔和大而粗的銅導(dǎo)體軌跡，可確保高散熱性能。
避免出現(xiàn)熱擊穿
雖然完全接通的功率 MOSFET 具有熱穩(wěn)定性，但當(dāng)漏電流 (ID) 較低時(shí)，就會(huì)有熱擊穿風(fēng)險(xiǎn)。在這種工作狀態(tài)下，局部發(fā)熱往往會(huì)降低柵源極的閾值電壓 (VGS(th))，這意味著器件更容易導(dǎo)通。這就造成了一種正反饋情況，更多的電流會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱更多、VGS(th) 更低。
圖 2 顯示了恒定漏源極電壓 (VDS) 下的這種效應(yīng)。隨著 VGS 的增大，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)稱為零溫度系數(shù) (ZTC) 的臨界 ID。大于該電流時(shí)，存在負(fù)反饋并具有熱穩(wěn)定性（藍(lán)色區(qū)域）；小于該電流時(shí)，閾值壓降會(huì)占主導(dǎo)地位，造成可導(dǎo)致熱擊穿的熱不穩(wěn)定工作點(diǎn)（紅色區(qū)域）。
圖 2：低于 ZTC 點(diǎn)時(shí)，MOSFET 會(huì)因熱效應(yīng)導(dǎo)致 VGS 下降（紅色區(qū)域）而進(jìn)入熱擊穿狀態(tài)。（圖片來源：Nexperia）
這種效應(yīng)降低了低電流和高漏源極電壓下的 SOA。對(duì)于具有陡峭 dV/dt 斜坡的快速開關(guān)操作來說，這并不是一個(gè)大問題。然而，隨著開關(guān)操作持續(xù)時(shí)間的增加，例如為了減少電磁干擾，出現(xiàn)熱不穩(wěn)定性的可能性增大，并存在潛在危險(xiǎn)。
降低高頻開關(guān)損耗
為快速開關(guān)應(yīng)用選擇超結(jié) MOSFET 時(shí)，低 QGD 至關(guān)重要，因?yàn)樵搮?shù)會(huì)顯著降低開關(guān)損耗。
當(dāng)漏極、柵極和源極之間同時(shí)出現(xiàn)顯著的電壓和電流變化時(shí)，開關(guān)操作過程中就會(huì)出現(xiàn)高功率損耗。較低的 QGD 會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)較短的米勒平臺(tái) (Miller Plateau)（圖 3，左側(cè)），從而導(dǎo)致陡峭的開關(guān)斜率 (dVds/dt)，最終降低開關(guān)導(dǎo)通期間的動(dòng)態(tài)能量損耗（圖 3，右側(cè)藍(lán)色區(qū)域）。
圖 3：較短的米勒平臺(tái)（左側(cè)）意味著陡峭的開關(guān)斜率，從而導(dǎo)致較低的動(dòng)態(tài)損耗（右側(cè)的藍(lán)色區(qū)域）。Vgp 是米勒平臺(tái)的柵源電壓；VTH 是柵極閾值電壓；IDS 是漏源電流。（圖片來源：Vishay）
抑制雪崩能量并保護(hù) MOSFET
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，定子線圈關(guān)斷時(shí)，坍縮磁場會(huì)維持電流流動(dòng)，從而在 MOSFET 上產(chǎn)生疊加在電源電壓 (VDD) 上的高感應(yīng)電壓。然而，MOSFET 體二極管的反向擊穿電壓 (VBR) 會(huì)限制該高電壓。在所謂的雪崩效應(yīng)中，MOSFET 將流出的磁能轉(zhuǎn)換為雪崩能量 (EDS)，直至線圈電流降至零。這會(huì)使半導(dǎo)體晶體迅速過熱。
圖 4 所示為帶有 MOSFET 開關(guān)的簡單線圈控制，以及單次雪崩事件發(fā)生前、發(fā)生期間（時(shí)間窗口 tAL）和發(fā)生后的時(shí)間信號(hào)。如果雪崩能量耗散量 (EDS(AL)S) 過高，由此產(chǎn)生的熱量將損壞半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
圖 4：MOSFET 在單次雪崩事件之前、期間 (tAL) 和之后的時(shí)序信號(hào)。（圖片來源：Nexperia）
LFPAK56D MOSFET 采用了堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)。根據(jù) Nexperia 實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果，該器件可承受數(shù)十億次雪崩事件而不會(huì)損壞?？紤]到最大雪崩能量，線圈驅(qū)動(dòng)器級(jí)可以不使用額外的續(xù)流或箝位二極管，只使用這些 MOSFET 的雪崩工作。
電熱的在線仿真
要提高系統(tǒng)效率，僅靠簡單的品質(zhì)因數(shù) (FOM)，如 RDS x QGD 產(chǎn)品是不夠的。相反，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行更精確的損耗分析，具體包括考慮以下原因造成的 MOSFET 損耗：
· 導(dǎo)通傳導(dǎo)性
· 導(dǎo)通和關(guān)斷損耗
· 輸出電容的充放電
· 體二極管的連續(xù)性和開關(guān)損耗
· 柵極電容的充電和放電
為了最大限度地降低總損耗，設(shè)計(jì)人員必須了解 MOSFET 參數(shù)與工作環(huán)境之間的關(guān)系。為此，Nexperia 為 MOSFET 建立了精密的電熱模型。這些模型結(jié)合了電氣和熱性能，并可反映 MOSFET 的所有重要特性。開發(fā)人員可使用 PartQuest Explore 在線仿真器，或?qū)?SPICE 和 VHDL-AMS 格式的模型導(dǎo)入其所選擇的仿真平臺(tái)。
在撰寫報(bào)告時(shí)，僅提供 LFPAK56D MOSFET 的電氣型號(hào)。因此，下面的熱仿真示例涉及不同類型的 MOSFET，即 BUK7S1R0-40H。
IAN50012 的功率 MOSFET 電熱模型互動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì) BUK7S1R0-40H MOSFET 在接通 36.25 A 負(fù)載電流后的三種發(fā)熱情況進(jìn)行了仿真。圖 5 左側(cè)所示為三種仿真設(shè)置。
圖 5：所示為使用 PartQuest Explore 在線仿真器對(duì) MOSFET 進(jìn)行的電熱仿真。（圖片來源：Nexperia）
在上部“tj_no_self_heating”（無自發(fā)熱）情況下，接線端和安裝底座直接與 0°C 環(huán)境溫度 (Tamb) 相耦合，且無熱阻 (Rth)。在中間的“tj_self_heating”（自發(fā)熱）情況下，芯片通過 Rth-j 耦合，且 Tj 升約 0.4°C。下部所示為安裝底座 (mb)，通過帶有散熱片的六層 FR4 電路板的 Rth_mb 與環(huán)境溫度耦合。Tmb（綠色）上升至 3.9°C，Tj（紅色）上升至 4.3°C。
結(jié)語
LFPAK56D MOSFET 具有超低損耗，可為快速開關(guān)轉(zhuǎn)換器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供出色的效率和功率密度。本文討論了電路和熱 PCB 設(shè)計(jì)考慮因素以及電熱仿真，說明了設(shè)計(jì)人員如何克服堅(jiān)固耐用、空間受限的高效設(shè)計(jì)所帶來的各種挑戰(zhàn)。
（作者：Jens Wallmann）
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