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怎么优化PCB规划以最大极限进步超级结MOSFET的功能

基于最近的趋势,提高效率成为关键目标,为了获得更好的EMI而采用慢开关器件的权衡并不值得。超级结可在平面MOSFET难以胜任的应用中提高效率。与传统平面MOSFET技术相比,超级结MOSFET可显著降

  根据最近的趋势,进步功率成为要害方针,为了取得更好的EMI而选用慢开关器材的权衡并不值得。超级结可在平面MOSFET难以担任的运用中进步功率。与传统平面MOSFET技能比较,超级结MOSFET可明显下降导通电阻和寄生电容。导通电阻的明显下降和寄生电容的下降尽管有助于进步功率,但也发生电压(dv/dt)和电流(di/dt)的快速开关转化,构成高频噪声和辐射EMI。

  为驱动快速开关超级结MOSFET,有必要了解封装PCB布局寄生效应对开关功能的影响,以及为运用超级结所做的PCB布局调整。首要运用击穿电压为500-600V的超级结MOSFET。在这些电压额定值中,工业规范TO-220、TO-247、TO-3P和TO-263是运用最广泛的封装。封装对功能的影响有限,这是由于内部极和源极绑定线长度是固定的。只要引脚的长度可以改动,以削减封装的源极电感。如图1(a)所示,10nH的典型引线电感看起来不大,但这些MOSFET的di/dt可轻松到达500A/μs!假定di/dt为500A/μs,10nH引线电感上的电压为VIND=5V;而10nH引线电感的关断di/dt为1,000A/μs,可发生VIND=10V的电压。大多数运用和规划都未考虑到此附加电感也会发生电压,但这一点不行忽视。以上简略核算显现,封装的总源极电感,即绑定线和引脚电感有必要下降至可接受的数值。噪声的另一个来历是布局寄生效应。有两种可见的布局寄生效应:寄生电感和寄生电容。1cm走线的电感为6-10nH,经过在PCB顶部添加一层并在PCB底部添加GND层,可下降此电感值。另一类型是寄生电容。图1(b)显现了布局中容性寄生效应的原理。寄生电容由两条邻近走线之间或走线与别的一侧的地平面之间引起。另一种电容为器材和地平面间的电容。PCB板两面上的两个并行走线可以添加电容,一起还能削减回路电感,然后削减电磁噪声辐射。下次规划需求超级结MOSFET时,请考虑这些布局提示。

  由于MOSFET是单极性器材,因而寄生电容是开关瞬态仅有的约束要素。电荷平衡原理下降了特定面积的导通电阻,并且,与规范MOSFET技能比较,相同RDS(ON)下的芯片尺寸更小。图1显现超级结MOSFET和规范平面型MOSFET的电容。规范MOSFET的Coss为中度线性改变联系,而超级结MOSFET的Coss曲线出现高度非线性联系。由于单元密度较高,超级结MOSFET的Coss初始值较高,但超级结MOSFET中,在约50V漏源电压邻近,Coss会敏捷下降,如图2所示。当运用超级结MOSFET运用到PFC或DC/DC转化器时,这些非线性效应或许形成电压和电流振动。图3显现简化的PFC电路示意图,包括功率MOSFET内部寄生元件和外部振动电路,外部振动电路包括由布板带来的外部耦合电容Cgd_ext.)。

  

  图2.平面型MOSFET和超级结MOSFET输出电容的比较

  一般来说,有多个振动电路会影响MOSFET的开关特性,包括内部和外部振动电路。在图3的PFC电路中,L、Co和Dboost分别是电感、输出电容和升压二极管。Cgs、Cgd_int和Cds是功率MOSFET的寄生电容。Ld1、Ls1和Lg1是功率MOSFET的漏极、源极和栅极邦定线以及引脚电感。Rg_int和Rg_ext是功率MOSFET的内部栅极电阻和电路的外部栅极驱动电阻。Cgd_ext是电路的寄生栅极-漏极电容。LD、LS和LG是印刷电路板(PCB)的漏极、源极和栅极走线杂散电感。当MOSFET翻开或封闭时,栅极寄生振动经过栅极-漏极电容Cgd和栅极引线电感Lg1在谐振电路内发生。

  

  图3.包括功率MOSFET内外部寄生元件的PFC电路简图

  在谐振条件(ωL=1/ωC)下,栅极和源极电压中生成的震动电压远大于驱动电压。因谐振改变而发生的电压振动与品质因数成正比,Q(=ωL/R=1/ωCR)。当MOSFET封闭时,漏极寄生电感(LD+Ld1)、栅极-漏极%&&&&&%Cgd和栅极引线电感Lg1网络形成栅极振动电压。假如栅极电阻(RG-ext.+Rg_int.)极小,则Q变大。别的,LS两头的压降和Ls1源极杂散电感在栅极-源极电压中发生振动,可用表达式(1)表明。寄生振动或许形成栅源极击穿、不良EMI、较大开关损耗、栅极操控失效,乃至或许形成MOSFET毛病。

  

  优化电路规划,最大极限地进步超级结MOSFET的功能而又不发生负面影响非常重要。

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