大咖技術帖|MOSFET在電源中的應用

2020-12-04 大大通

1、MOSFET 簡介

MOSFET,全稱Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,即金屬-氧化物半導體場效應電晶體,廣泛使用在模擬電路與數字電路。

分類按照溝道類型分為NMOS和PMOS。根據場效應原理的不同,又分為耗盡型和增強型。

按照工藝和技術要求,又分為平面MOS和超結MOS。

由於工藝的問題,MOS的內部會寄生一個二極體,有的場合不需要這個二極體,但是在有的應用上,比如LLC電路,則對寄生的二極體提出了很高的要求。

封裝

MOS的封裝主要有TO220,TO220F,TO-263,TO252.

其晶圓的大小和參數是一樣的,但是由於封裝的不同,造成散熱能力不同,也就是過電流能力的不同。

與封裝有關的參數見下表:

AOT380A60L是TO220封裝,AOTF380A60L是TO220F封裝,雖然晶圓一樣,但是TO220封裝的耗散功率和Rθjc參數就要比TO220F好很多。但是由於TO220F封裝是塑封的,在用到散熱片的情況下,不需要絕緣墊片,加工工藝就簡單得多,且更加可靠。

主要參數解析

2、MOSFET的在power的應用

TV power的功率範圍主要集中在40W到300W之間。根據功率數和實際的應用,分為以下方案:

75W以下power,不需要PFC,主要方案是Flyback (反激)。Flyback方案對MOSFET參數要求不高,主要參數:a)MOSFET的Vdss,漏級電壓

對於寬範圍輸入電壓90V-264V,如果用600V的MOSFET就要求佔空比要小,同時變壓器設計時注意MOSFET關斷時的震蕩(一般要增加RCD吸收電路),電壓的尖峰要小,再加上短路時尖峰還要高,所以600V的MOSFET餘量就比較小了。所以很多客戶要求用650V甚至700V的MOSFET,為的就是增加設計餘量。

b)Id ,漏源級電流,由Rdson (導通電阻)計算而得

在這裡主要看兩種情況,一個是衝擊電流,雖然規格書上要求只要MOSFET結溫不超過要求就行,但是一般還是要求不能大於MOSFET的額定電流。在這裡一定注意變壓器的設計,在任何情況下不能飽和(一般從電流的波形上就可以看出),飽和的結果就是MOS損壞。見下圖,紅圈內的電流波形,其斜率發生變化,已經飽和。這時正常工作時的波形,開機時應該更嚴重。

c) 溫升

衡量一個MOS是否工作在安全區域的一個重要指標就是溫升,無論在什麼情況下,都要保證晶圓的結溫工作在安全溫度之下,一般在150°C。

但實際上,結溫是測試不到的,那就需要測試表面溫度,然後根據Rθjc的數值,計算出此時大約的結溫。

同一個MOSFET,在不同的條件下,可以輸出不同的功率,主要原因就是溫升的控制,也就是散熱條件的好壞。

d)驅動

對於驅動,最簡單的就是一個驅動電阻,但是一般同時要求關斷時要增加柵極的放電速度。所以用一個相對較大的驅動電阻,一個相對較小的放電電阻。

這裡要注意,驅動電阻的大小要根據實際MOSFET的要求來選用,每個MOSFET的開關速度,輸入電容,柵極電荷都不一樣,所以要選用MOSFET推薦範圍內的驅動電阻,如果太小工作波形可能會震蕩。在這個範圍內,驅動電阻的大小就要根據實際情況來選,小的電阻意味著高的效率,但是可能有較差的EMC,這就是個平衡的問題,需要在中間選個平衡點。

75W以上的power,要求增加PFC電路。因為Vbus的限制和整體的考慮,Vbus一般在380V到390V之間。一般選用600V MOSFET。PFC電路實際就是一個Boost升壓電路。現在一般的方案用的是CRM(臨界模式)和CCM(連續模式)。對於TV power,CRM可以滿足要求,而且對升壓二極體要求較低。就應用而講,PFC MOSFET和Flyback的要求差不多,普通的MOSFET就可以,當然了,超結MOS有更低的Rdson和Qg,溫升和效率的表現更好些。

測試MOS電流的時候,也要注意PFC電感的飽和問題。

LLC電路 考慮效率和成本的因素,LLC電路得到了廣泛的應用。

LLC電路就對MOSFET有了一定的要求,尤其是寄生的體二極體。

上面的圖給出了啟動時功率MOSFET前五個開關波形。在變換器啟動開始前,諧振電容和輸出電容剛好完全放電。與正常工作狀況相比,在啟動過程中,這些空電容會使低端開關Q2的體二極體深度導通。因此流經開關Q2體二極體的反向恢復電流非常高,致使當高端開關Q1導通時足夠引起直通問題。啟動狀態下,在體二極體反向恢復時,非常可能發生功率MOSFET的潛在失效。

體二極體反向恢復時:

二極體由通態到反向阻斷狀態的開關過程稱為反向恢復。圖給出了MOSFET體二極體反向恢復的波形。首先體二極體正嚮導通,持續一段時間。這個時段中,二極體P-N結積累電荷。當反向電壓加到二極體兩端時,釋放儲存的電荷,回到阻斷狀態。

釋放儲存電荷時會出現以下兩種現象:流過一個大的反向電流和重構。在該過程中,大的反向恢復電流流過MOSFET的體二極體,是因為MOSFET的導通溝道已經切斷。一些反向恢復電流從N+源下流過。這就造成兩個問題,一個是衝擊電流過大,超過MOSFET承受能力,一個是形成熱點,反覆發熱超過結溫,最終造成MOSFET擊穿損壞。

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