封装寄生电感是否会影响MOSFET性能？ 影响, 电路板, 开发, 开关

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I.引言
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。



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。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。




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。



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。