家电小知识:寄生电感和MOSFET的交互关系是什么?双向开关电感电路图分析设计

导读新时代发展越来越快相信很多小伙伴对家电知识这方面很朦胧吧,正好小编对家电方面颇有研究,现在就跟小伙伴们聊聊一篇关于寄生电感和MOSFET

新时代发展越来越快相信很多小伙伴对家电知识这方面很朦胧吧,正好小编对家电方面颇有研究,现在就跟小伙伴们聊聊一篇关于寄生电感和MOSFET的交互关系是什么?双向开关电感电路图分析设计,相信很多小伙伴们都会感兴趣,那么小编也收集到了有关寄生电感和MOSFET的交互关系是什么?双向开关电感电路图分析设计信息,希望小伙伴们看了有所帮助。

寄生电感和MOSFET的交互关系是什么

  高效率已成为开关电源(SMPS)设计的必需要求。为了达成这一要求,越来越多许多功率半导体研究人员开发了快速开关器件,举例来说,降低器件的寄生电容,并实现低导通电阻,以降低开关损耗和导通损耗。这些快速开关器件容易触发开关瞬态过冲。这对SMPS设计中电路板布局带来了困难,并且容易引起了栅极信号振荡。为了克服开关瞬态过冲,设计人员通常采取的做法是借助缓冲电路提高栅极电阻阻值,以减慢器件开关速度,抑制过冲,但这会造成相对较高的开关损耗。对于采用标准通孔封装的快速开关器件,总是存在效率与易用性的折衷问题。

  在处理电路板布局和器件封装产生的寄生电感时,快速开关器件接通和关断控制是关键问题。 特别是,封装源极寄生电感是是器件控制的关键因素。在本文中,英飞凌提出了一种用于快速开关超结MOSFET的最新推出的TO247 4引脚器件封装解决方案。这个解决方案将源极连接分为两个电流路径;一个用于实现功率连接,另一个用于实现驱动器连接。这样一来,器件就能保持快的开关速度,同时又不必牺牲接通和关断控制能力。

  本文编排如下:在第二节,将利用硬开关升压转换器来分析并开发一个简单的高频模型,该模型采用了具备MOSFET寄生参数和电路板寄生参数的标准通孔封装传统的TO247(即:电源电流路径和驱动电流路径是相同的)。第三节将对最新推出的TO247 4引脚封装做详尽的电路分析,以表明TO247 4引脚封装在开关速度、效率和驱动能力等方面的有效性。最后,第四节分析了实验波形和效率测量,以验证最新推出的TO247 4引脚封装的性能。

  II.分析升压转换器中采用传统的TO247封装的MOSFET

  A.开关瞬态下的MOSFET操作时序

  要分析快速开关MOSFET中的封装寄生电感产生的影响,必须十分理解MOSFET工作处理。硬开关关断通常出现在硬开关拓扑和零电压开关拓扑中。本小节将逐步分析MOSFET关断瞬态操作。图1所示为硬开关关断瞬态下,理想MOSFET的工作波形和工作顺序。

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  图1 升压转换器中的MOSFET的典型关断瞬态波形

  当驱动器发出关断信号后,即开始阶段1 [t=t1]操作,栅极与源极之间的MOSFET电容器Cgs将开始放电。此时,MOSFET阻断特性保持不变。这个t1阶段被称为延时,它表征着MOSFET的响应时间。当MOSFET栅源电压Vgs达到栅极平台电压Vgs(Miller)时,这个阶段便告结束。

  当Vgs与Vgs(Miller) 相等之后,将进入阶段2 [t=t2],在此期间,其电压水平将保持不变。负载电流将对漏极与源极之间的MOSFET电容器Cds进行充电,以重建空间电荷区。这个阶段将一直持续至MOSFET漏源电压Vds达到电路输出电压时为止。

  阶段3 [t=t3] ,Cgs将继续放电。漏电流Id和Vgs开始线性下降,阻断MOSFET导通通道。当Vgs 与栅极阈值电压Vgs(th)相等,并且Id变为零时,这个阶段即结束。这个阶段结束后,MOSFET将完全关断。

  阶段4 [t=t4] ,栅极驱动对Cgs持续放电,直至Vgs电压水平变为零。

  B.传统的TO247封装MOSFET的开关瞬态特性分析

  利用升压转换器,评估了封装寄生电感对MOSFET开关特性的影响。图2所示为传统的TO247 MOSFET等效模型的详情,以及升压转换器电路和寄生电感的详情。对于MOSFET模型, 3个电容为硅结构,分别位于各个连接引脚之间:栅漏电容Cgd、漏源电容Cds和栅源电容Cgs。键合丝产生了MOSFET寄生电感:栅极寄生电感Lg1、漏极寄生电感Ld1和源极寄生电感Ls1。这个模型也包含了电路板电路布局产生的杂散电感:Ld2、Ld3、Lg2和Ls2。分析中,LS等于Ls1+Ls2,Lg等于Lg1+Lg2,RG等于Int.Rg+Ext.Rg。

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  图2. 升压转换器中的TO247封装MOSFET等效模型和寄生电感

  参照小节A中讨论的关断瞬态顺序,源极电感LS主要在瞬态阶段3影响到MOSFET开关特性。栅极驱动路径显示为红色,漏电流在蓝色环路上流动。快速电流瞬态过程中,LS 引发电压降VLs,这能抵消会降低驱动能力和减慢器件速度的栅极电压。

  通过在驱动环路上运用基尔霍夫电压定律,栅源电压Vgs(t)可以表示为:

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  其中,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。是关断阶段驱动电压。

  根据等式1,t3时间段内,漏极电流变化速率dId/dt可以求解为:

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  从等式(2)和(3)可知,源极电感可以减慢开关瞬态,加剧开关过程中的有关能耗。在传统的TO247 MOSFET配置中,电路源极电感是MOSFET封装源电感Ls1与电路板布局源极电感Ls2之和。始终必须最大限度地降低封装源和电路板寄生的源极电感,因为二者均为关键控制要素。 较之采用通孔封装的MOSFET,通过将无引线SMD封装用于MOSFET,可以最大限度地降低封装中的寄生源电感。 因此,采用SMD封装的MOSFET也能实现快速开关,同时降低开关损耗。适用于4引脚器件的SMD封装名为“ThinkPAK 8X8”。

  III.分析升压转换器中采用最新推出的TO247 4引脚封装的MOSFET

  英飞凌已经在CoolMOS系列器件中推出新的封装概念“4引线封装”,其中,通孔封装名为“TO-247 4PIN”。如图3中的虚线框内所示,最新推出的TO-247 4引脚模型提供了一个额外的源极连接引脚。在内部连接中,引脚分离始于芯片內部,充当开尔文源。电源引脚“S”为电源接地提供了连接。开尔文源引脚,源-感侧引脚“SS”直接连接至驱动器地线,以便将驱动电流与电源电流路径分离。

  由于源极分离,瞬态过程中源极电感对栅极驱动电路的影响将被消除。参见图3,驱动环路显示为红色,漏极电流环路不再相互作用。源电感引起的压降不再影响栅源电压Vgs(t)。如第二节中所讨论,阶段3时的栅源电压Vgs(t)为

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  其中, LG 等于 Lg1+Lg2+Lss。

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  图3. 升压转换器中的TO247 4引脚封装MOSFET等效模型

  对应的时间段t3和漏极电流变化速率dId/dt可表示为:

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  从等式(5)和(6)可知,影响MOSFET电流速率的源极引脚电感被消除了。根据等式(2)和(5),较之TO247封装MOSFET,这缩短了器件的开关速度,降低了开关损耗。最新推出的TO247 4引脚MOSFET可实现相对较快的开关动作,从而降低开关损耗。

  IV.实验验证

  A.实验测试波形

  将升压PFC转换器用作测量平台,进行评估。传统的TO247封装MOSFET和最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET将被用作平台主用开关器件,以验证最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET优于传统的TO247封装的开关性能和栅极控制能力。

  图4所示为传统的TO247封装(上)和最新推出的TO247 4引脚封装(下)的硬开关关断波形对比。根据测得波形,从Vds(t)(蓝色波形)到Id(t) (黄色波形)的TO247 4引脚封装MOSFET的穿过时间,比最新推出的TO247封装MOSFET缩短了约40%。Vds 与ID 的重叠越少,意味着开关损耗越低。较之于传统的TO247封装,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的振荡幅度Vgs (t) (紫色波形)也降低了30%。因此,最新推出的TO247 4引脚封装提供了更加可靠的开关控制。

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  图4. TO247封装MOSFET(上)和TO247 4引脚封装MOSFET(下)的MOSFET关断瞬态波形。试验条件:Ext. Rg=5 Ω,12 V栅极驱动电压、试验器件IPZ65R019C7

  最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  图5. 在110 Vac 输入电压条件下,TO247 4引脚封装MOSFET与TO247封装MOSFET的PFC效率对比。测试条件:Ext. Rg=5 Ω,开关频率=100 kHz,测试器件:具备相同硅芯片的IPW65R019C7(TO247)和IPZ65R019C7(TO247 4引脚)

  V.结语

  本文分析了快速开关MOSFET封装寄生电感对开关性能的影响。封装源电感是决定切换时间的关键参数,后者与开关速度和开关可控性密切相关。英飞凌最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET能最大限度地减少传统的TO247封装寄生电感造成的不利影响,实现更高系统效率。

  双向开关电感电路图分析设计

  运行在QⅢ和QⅣ象限的二象限变换器如图所示,它是由二个开关,二个二极管和仅用一个电感L组成的。通常认为源电压V1和负载电压V2都是恒定电压。负载电压V2可以是蓄电池或电动机的反电势(EMF)。因为电路是完全对称的,所以电路的任一端都可以是电源端或负载端。源电压不一定要高于负载电压。R是电路的等效电阻。有两种运行模式:

最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET切换时间,比传统的TO247封装短。得益于开关损耗降低,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET实现了更高效率,如图5所示。在输入电压为110 Vac的满负荷试验条件下,相比于传统的TO247封装的试验结果,最新推出的TO247 4引脚封装MOSFET的效率提高了0.2%。在高电压情况下,即当输入电压为220 Vac时,也实现了与之一致的效率提升。

  (1)模式C(象限Ⅲ):电能由V1端向V2端传递;

  (2)模式D(象限Ⅳ):电能由V2端向V1端传递。

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