封裝寄生電感是否會(huì)影響MOSFET性能？

　　I.引言

　　高效率已成為開關(guān)電源(SMPS)設(shè)計(jì)的必需要求。為了達(dá)成這一要求，越來(lái)越多許多功率半導(dǎo)體研究人員開發(fā)了快速開關(guān)器件，舉例來(lái)說(shuō)，降低器件的寄生電容，并實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，以降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。這些快速開關(guān)器件容易觸發(fā)開關(guān)瞬態(tài)過(guò)沖。這對(duì)SMPS設(shè)計(jì)中電路板布局帶來(lái)了困難，并且容易引起了柵極信號(hào)振蕩。為了克服開關(guān)瞬態(tài)過(guò)沖，設(shè)計(jì)人員通常采取的做法是借助緩沖電路提高柵極電阻阻值，以減慢器件開關(guān)速度，抑制過(guò)沖，但這會(huì)造成相對(duì)較高的開關(guān)損耗。對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)通孔封裝的快速開關(guān)器件，總是存在效率與易用性的折衷問(wèn)題。

　　在處理電路板布局和器件封裝產(chǎn)生的寄生電感時(shí)，快速開關(guān)器件接通和關(guān)斷控制是關(guān)鍵問(wèn)題。特別是，封裝源極寄生電感是是器件控制的關(guān)鍵因素。在本文中，英飛凌提出了一種用于快速開關(guān)超結(jié)MOSFET的最新推出的TO247 4引腳器件封裝解決方案。這個(gè)解決方案將源極連接分為兩個(gè)電流路徑;一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)功率連接，另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器連接。這樣一來(lái)，器件就能保持快的開關(guān)速度，同時(shí)又不必犧牲接通和關(guān)斷控制能力。

　　本文編排如下：在第二節(jié)，將利用硬開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)分析并開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的高頻模型，該模型采用了具備MOSFET寄生參數(shù)和電路板寄生參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)通孔封裝傳統(tǒng)的TO247(即：電源電流路徑和驅(qū)動(dòng)電流路徑是相同的)。第三節(jié)將對(duì)最新推出的TO247 4引腳封裝做詳盡的電路分析，以表明TO247 4引腳封裝在開關(guān)速度、效率和驅(qū)動(dòng)能力等方面的有效性。最后，第四節(jié)分析了實(shí)驗(yàn)波形和效率測(cè)量，以驗(yàn)證最新推出的TO247 4引腳封裝的性能。

　　II.分析升壓轉(zhuǎn)換器中采用傳統(tǒng)的TO247封裝的MOSFET

　　A.開關(guān)瞬態(tài)下的MOSFET操作時(shí)序

　　要分析快速開關(guān)MOSFET中的封裝寄生電感產(chǎn)生的影響，必須十分理解MOSFET工作處理。硬開關(guān)關(guān)斷通常出現(xiàn)在硬開關(guān)拓?fù)浜土汶妷洪_關(guān)拓?fù)渲?。本小?jié)將逐步分析MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)操作。圖1所示為硬開關(guān)關(guān)斷瞬態(tài)下，理想MOSFET的工作波形和工作順序。

　　圖1升壓轉(zhuǎn)換器中的MOSFET的典型關(guān)斷瞬態(tài)波形

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)后，即開始階段1 [t=t1]操作，柵極與源極之間的MOSFET電容器Cgs將開始放電。此時(shí)，MOSFET阻斷特性保持不變。這個(gè)t1階段被稱為延時(shí)，它表征著MOSFET的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)MOSFET柵源電壓Vgs達(dá)到柵極平臺(tái)電壓Vgs(Miller)時(shí)，這個(gè)階段便告結(jié)束。

　　當(dāng)Vgs與Vgs(Miller)相等之后，將進(jìn)入階段2 [t=t2]，在此期間，其電壓水平將保持不變。負(fù)載電流將對(duì)漏極與源極之間的MOSFET電容器Cds進(jìn)行充電，以重建空間電荷區(qū)。這個(gè)階段將一直持續(xù)至MOSFET漏源電壓Vds達(dá)到電路輸出電壓時(shí)為止。

　　階段3 [t=t3]，Cgs將繼續(xù)放電。漏電流Id和Vgs開始線性下降，阻斷MOSFET導(dǎo)通通道。當(dāng)Vgs與柵極閾值電壓Vgs(th)相等，并且Id變?yōu)榱銜r(shí)，這個(gè)階段即結(jié)束。這個(gè)階段結(jié)束后，MOSFET將完全關(guān)斷。

　　階段4 [t=t4]，柵極驅(qū)動(dòng)對(duì)Cgs持續(xù)放電，直至Vgs電壓水平變?yōu)榱恪?/p>

　　B.傳統(tǒng)的TO247封裝MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)特性分析

　　利用升壓轉(zhuǎn)換器，評(píng)估了封裝寄生電感對(duì)MOSFET開關(guān)特性的影響。圖2所示為傳統(tǒng)的TO247 MOSFET等效模型的詳情，以及升壓轉(zhuǎn)換器電路和寄生電感的詳情。對(duì)于MOSFET模型，3個(gè)電容為硅結(jié)構(gòu)，分別位于各個(gè)連接引腳之間：柵漏電容Cgd、漏源電容Cds和柵源電容Cgs.鍵合絲產(chǎn)生了MOSFET寄生電感：柵極寄生電感Lg1、漏極寄生電感Ld1和源極寄生電感Ls1.這個(gè)模型也包含了電路板電路布局產(chǎn)生的雜散電感：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.

　　圖2.升壓轉(zhuǎn)換器中的TO247封裝MOSFET等效模型和寄生電感

　　參照小節(jié)A中討論的關(guān)斷瞬態(tài)順序，源極電感LS主要在瞬態(tài)階段3影響到MOSFET開關(guān)特性。柵極驅(qū)動(dòng)路徑顯示為紅色，漏電流在藍(lán)色環(huán)路上流動(dòng)?？焖匐娏魉矐B(tài)過(guò)程中，LS引發(fā)電壓降VLs，這能抵消會(huì)降低驅(qū)動(dòng)能力和減慢器件速度的柵極電壓。

　　通過(guò)在驅(qū)動(dòng)環(huán)路上運(yùn)用基爾霍夫電壓定律，柵源電壓Vgs(t)可以表示為：

　　從等式(2)和(3)可知，源極電感可以減慢開關(guān)瞬態(tài)，加劇開關(guān)過(guò)程中的有關(guān)能耗。在傳統(tǒng)的TO247 MOSFET配置中，電路源極電感是MOSFET封裝源電感Ls1與電路板布局源極電感Ls2之和。始終必須最大限度地降低封裝源和電路板寄生的源極電感，因?yàn)槎呔鶠殛P(guān)鍵控制要素。較之采用通孔封裝的MOSFET，通過(guò)將無(wú)引線SMD封裝用于MOSFET，可以最大限度地降低封裝中的寄生源電感。因此，采用SMD封裝的MOSFET也能實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，同時(shí)降低開關(guān)損耗。適用于4引腳器件的SMD封裝名為“ThinkPAK 8X8”。