作者:Mike Becker,国际产品和市场营销经理,功率MOSFET,Nexperia
低成本电源大量应用于为广泛的消费类和工业应用供电,例如手机、平板电脑和笔记本电脑、可充电电动工具和LED照明等。
无论是需要高效率以满足法规要求,还是减少散热,从而实现更小、更轻的终端产品设计,电源效率往往都是最重要的设计因素。选择同步MOSFET来满足所有要求可能是令人困惑的任务。
在为开关应用选择MOSFET时,工程师通常首先查看明显的数据手册参数。例如,需要什么尺寸和类型的封装?需要什么电压(平均值和峰值)?另外,最大输出电流是多少?这决定了额定负载电流下的I2R损耗,因此也决定了MOSFET的导通电阻。
也许还会考虑一些动态参数,例如,栅极电荷Qg和Qgd可以很好地指示预期的栅极损耗。Qg品质因数(FOM)也是开关应用中MOSFET效率的良好指标,而MOSFET的电容Ciss、Coss、Crss可以帮助指示漏源尖峰和栅极反弹是否会成为问题。低电容也可以提高效率。
还有另外一个参数Qrr,通常可以在数据手册末尾找到,它通常会被忽略。在电流流经MOSFET体二极管的应用中,例如,在同步整流器和续流应用中,反向恢复电荷Qrr会引起一些重大问题,如下所述,设计工程师需要认真解决这些问题。
Qrr是什么?
Qrr是以nC为单位的存储电荷,它是当二极管正向偏置时,电荷载流子在体二极管的PN结中累积而引起,如图1所示。
图1:Qrr是存储在体二极管中的电荷
小心Qrr!
由于大多数应用所需的死区时间,电流在每个开关周期内都会两次流过体二极管。
首先,我们可以考虑同步FET导通之前发生的事情。由于在死区时间内电流将流经体二极管,因此一些负载电流会形成存储电荷Qrr。
随着同步FET导通,存储电荷在MOSFET内部耗散。因此,一部分负载电流由于Qrr效应而丢失,并成为同步FET内的I2R损耗。
在第二种情况下,当高边MOSFET导通时,MOSFET的体二极管再次反向偏置。额外的电流Irr+负载电流短暂地流过高边MOSFET,直到存储电荷Qrr完全耗尽。电荷消耗不是瞬时的,反向恢复时间Trr也在数据手册中,如图2和图3所示。
图2:反向恢复时间在数据手册中的参数定义
图3:Qrr通过FET耗尽
Irr的流过时间通常为几十纳秒,直到Qrr耗尽。Irr会在高边MOSFET内导致额外的I2R损耗,如图4所示。
图4:Irr导致高边MOSFET中的损耗
Vds尖峰
反向恢复电流Irr也与PCB的寄生电感相互作用,产生一个电压尖峰,其中:
V = L x (di/dt).
该MOSFET应该具有适当的额定值,以确保击穿电压额定值高于最大峰值;通常降额到80%应用。具有测量到80V Vds尖峰的应用通常需要具有至少100V击穿电压的MOSFET。
良好的PCB布局可以降低寄生电感L,而且,选择低Qrr 的MOSFET也有助于降低di/dt。如果尖峰被忽略,那么这可能导致需要更高电压的MOSFET。
栅极反弹
当Vds尖峰发生时,设计人员还应该在他们的应用中寻找栅极反弹。由于MOSFET的所有三个端子之间存在电容,因此漏极引脚上的任何尖峰也将电容耦合至MOSFET的栅极引脚。在极端情况下,如果栅极反弹超过MOSFET的阈值电压,则MOSFET可以导通。
死区时间通常用于栅极驱动电路,以确保高边和低边MOSFET不能同时导通。但是,当发生栅极反弹时,低边MOSFET与高边同时导通,导致直通电流在电源轨之间流动,从而导致I2R损耗过大,并且在极端情况下造成MOSFET的破坏。
低Qrr MOSFET的优势
MOSFET并不完全相同。将MOSFET供应商的4至8mΩ导通电阻、100V MOSFET的数据手册参数进行快速比较,可看出不同供应商之间的Qrr存在显著差异。
与 Nexperia 的 NextPower 100V 技术的类似导通电阻MOSFET相比,其他供应商的MOSFET的Qrr通常要高出130%至300%。
由于在典型应用中很难测量单独Qrr效应,因此我们依靠仿真工具来模拟效应。
一款7mΩ MOSFET(PSMN6R9-100YSF)的Spice仿真表明,当Qrr增加2倍时,尖峰电压可增加8%左右,如图5所示。
图5:较低的Qrr与较低的电压尖峰相关
选择低Qrr的MOSFET也可以显著提高效率,特别是在低负载电流条件下。
小结
在负载电流通常小于5A的低功率充电器和适配器中,对I2R损耗的没有那么重视,设计工程师也应该更加关注动态损耗。
综上所述,选择低Qrr的MOSFET可以降低尖峰电流、提高效率并降低EMI辐射,如图6所示。
图6:选择具有低Qrr的MOSFET可以获得很大的效率增益
NextPower 100V MOSFET提供非常低的Qrr以及有竞争力的导通电阻,非常适用于电源应用。
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