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如何优化PCB设计以最大限度提高超级结MOSFET的性能【w88手机版登录】

本文摘要:基于最近的趋势,提高效率沦为关键目标,为了取得更佳的EMI而使用快电源器件的权衡并不有一点。

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基于最近的趋势,提高效率沦为关键目标,为了取得更佳的EMI而使用快电源器件的权衡并不有一点。超级结可在平面MOSFET无法胜任的应用于中提高效率。与传统平面MOSFET技术比起,超级结MOSFET可明显减少导通电阻和寄生电容。

导通电阻的明显减少和寄生电容的减少虽然有助提高效率,但也产生电压(dv/dt)和电流(di/dt)的较慢电源切换,构成高频噪声和电磁辐射EMI。  为驱动较慢电源超级结MOSFET,必需理解PCB和PCB布局宿主效应对电源性能的影响,以及为用于超级结所做到的PCB布局调整。

主要用于穿透电压为500-600V的超级结MOSFET。在这些电压额定值中,工业标准TO-220、TO-247、TO-3P和TO-263是应用于最普遍的PCB。PCB对性能的影响受限,这是因为内部栅极和源近于初始化线长度是相同的。

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只有插槽的长度可以转变,以增加PCB的源极电感。如图1(a)右图,10nH的典型引线电感看上去并不大,但这些MOSFET的di/dt可精彩超过500A/mu;s!假设di/dt为500A/mu;s,10nH引线电感上的电压为VIND=5V;而10nH引线电感的变频器di/dt为1,000A/mu;s,可产生VIND=10V的电压。大多数应用于和设计都并未考虑到此可选电感也不会产生电压,但这一点不可忽视。以上非常简单计算出来表明,PCB的总源近于电感,即初始化线和插槽电感必需减少至可拒绝接受的数值。

噪声的另一个来源是布局宿主效应。有两种可见的布局宿主效应:宿主电感和寄生电容。

1cm走线的电感为6-10nH,通过在PCB顶部加到一层并在PCB底部加到GND层,可减少此电感值。另一类型是寄生电容。图1(b)表明了布局中容性宿主效应的原理。

寄生电容由两条相似回头线之间或走线与另外一侧的地平面之间引发。另一种电容为器件和地平面间的电容。

PCB板两面上的两个并行驶线需要减少电容,同时还能增加电路电感,从而增加电磁噪声电磁辐射。下次设计必须超级结MOSFET时,请求考虑到这些布局提醒。  因为MOSFET是单极性器件,因此寄生电容是电源瞬态唯一的容许因素。电荷平衡原理减少了特定面积的导通电阻,而且,与标准MOSFET技术比起,完全相同RDS(ON)下的芯片尺寸更加小。

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图1表明超级结MOSFET和标准平面型MOSFET的电容。标准MOSFET的Coss为中度线性变化关系,而超级结MOSFET的Coss曲线呈现出高度非线性关系。因为单元密度较高,超级结MOSFET的Coss初始值较高,但超级结MOSFET中,在大约50V漏源电压附近,Coss不会很快上升,如图1右图。当用于超级结MOSFET应用于到PFC或DC/DC转换器时,这些非线性效应有可能导致电压和电流波动。

图2表明修改的PFC电路示意图,还包括功率MOSFET内部宿主元件和外部振荡电路,外部振荡电路包括由布板带给的外部耦合电容Cgd_ext.)。  图1.平面型MOSFET和超级结MOSFET输入电容的较为  一般来说,有多个振荡电路不会影响MOSFET的电源特性,还包括内部和外部振荡电路。在图2的PFC电路中,L、Co和Dboost分别是电感、输入电容和降压二极管。

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插槽电感。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。

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Cgd_ext是电路的宿主栅极-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关上或重开时,栅极寄生振荡通过栅极-漏极电容Cgd和栅极引线电感Lg1在谐振电路内再次发生。

  图2.包括功率MOSFET内外部宿主元件的PFC电路简图  在谐振条件(omega;L=1/omega;C)下,栅极和源近于电压中分解的波动电压远大于驱动电压。因谐振变化而产生的电压波动与品质因数成正比,Q(=omega;L/R=1/omega;CR)。当MOSFET重开时,漏极宿主电感(LD+Ld1)、栅极-漏极电容Cgd和栅极引线电感Lg1网络导致栅极波动电压。如果栅极电阻(RG-ext.+Rg_int.)大于,则Q变小。

另外,LS两端的压降和Ls1源极杂散电感在栅极-源近于电压中产生波动,能用表达式(1)回应。寄生振荡有可能导致栅源近于穿透、不当EMI、较小开关损耗、栅极掌控过热,甚至有可能导致MOSFET故障。  优化电路设计,最大限度地提升超级结MOSFET的性能而又不产生负面影响十分最重要。


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