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當下公認的MOSFET品質因數失效了嗎?
2019-11-21 17:10:41    
我們都習慣于將RDS(on)和Qg的乘積視為MOSFET的品質因數。但是,由于現在的柵極驅動器能夠有效地滿足較大的Qg需求,而且開關拓撲更快,可以創建更小、更高效的系統,因此一些經常被忽略的參數已經上升到“系統關鍵”的程度。那么,傳統的品質因數定義還有意義嗎?

從導通和開關性能的角度來看,我們都習慣于將MOSFET的品質因數(FOM)視作漏極至源極通態電阻RDS(on)和柵極電荷Qg的乘積。
 
FOM = RDS(on) x Qg
 
在下定義時,這是一個很好的指標,但現在大多數現代MOSFET的Qg均已得到優化。 在不斷追求更小、更高效系統的過程中,新一代柵極驅動器不斷出現,驅動較大Qg值也變得更加容易和快捷,因此我們可以看到別的參數已經上升到“系統關鍵”的地位。如果繼續沿用傳統的品質因數,就會導致制造商忽視其他關鍵參數,而將資源花費在已經進一步優化得足夠好的Qg上。
 
2018年初,我們討論了經常被忽視和低估的反向恢復電荷Qrr,以及它對電壓峰值和效率的影響。由于傳統的品質因數定義通常作為MOSFET選擇的控制因素,因此對于當下的電機驅動和SMPS拓撲,我們需要詳細地說明Qrr的重要性以及為什么Qg的關鍵性在不斷下降。實際上,對于這些應用,我們甚至建議需要重新定義MOSFET的品質因數,以便我們可以從多種選擇中選擇合適的MOSFET,以提高效率、簡化設計,滿足電壓峰值和EMI特性等要求。


現在需要進一步了解MOSFET品質因數和Qg的影響

 
從最純粹的意義上講,Qg用于定義任何給定柵極驅動電流下的開關時間,并可在MOSFET之間對開關性能進行實際比較。例如,理論上,由1A源電流和灌電流驅動的50nC MOSFET可以在50ns內打開,然后在另一個50ns內關斷。因此,對于任何給定的柵極驅動電流,具有較低Qg的MOSFET可以更快地打開和關閉,從而有可能減少開關損耗。
 
但是,實際情況并不是如此簡單。讓我們以50nC MOSFET開關48V線路為例。如果使用5A驅動,MOSFET可以在10ns內關閉,但這將導致dv/dt達到巨大的48000V/μs。這就是為什么幾乎所有應用都使用外部柵極電阻(Rg)來控制dv/dt及其相關影響的原因。在設計階段調整Rg對實現所需的開關性能有很大的影響。
 
在較舊的系統中,控制器的柵極驅動能力是一個限制因素,尤其是在并聯MOSFET的應用中。但是,當下控制器的柵極驅動能力已經大大提高。在更復雜的拓撲結構中,簡單的外部柵極驅動級可以輕松提供足夠的源電流和灌電流,由此在大多數實際條件下驅動數百nC。
 
即使在功率效率方面,從整個系統的角度來看,柵極充放電所涉及的損耗通常也僅占系統額定功率的一小部分,這在大多數應用中可以忽略不計。因此,對于大多數應用,即使Qg的差異巨大,產生的實際影響也非常小,甚至是沒有影響。但是,值得注意的是,此功率會在柵極驅動組件(外部Rg和柵極驅動器)中耗散,因此在選擇這些組件時需要考慮適當的散熱。
 

Qrr在開關應用中的影響

 
當MOSFET的體二極管允許導通時,Qrr的影響就會突顯出來。而這種情況在同步整流應用中非此常見,尤其是在連續導通工作模式期間。

在死區期間,高端和低端FET均關閉,從而使低端體二極管導通續流電流。這樣會產生存儲電荷(Qrr)。當高端FET打開時,該電荷會以瞬間直通的形式被移除。高端FET的打開速度決定此恢復電流的di/dt。 除了恢復損耗外,此恢復電流與電路的寄生元件的組合可能導致電壓峰值。

在全橋轉換的第5階段中,Q2的體二極管在導通電流的同時被反向偏置。這會導致恢復電流流過Q1和Q2的體二極管,進而產生直通場景,直到Q2的體二極管完全恢復為止。在恢復瞬間,電流路徑中的寄生電感會導致電壓擺幅,以嘗試保持路徑中的電流。該電壓偏移與路徑中的寄生元件組合,導致在開關節點處產生振鈴紋波,從而導致EMI。

Qrr在反激拓撲和其他SMPS拓撲中的影響(尤其是在連續導通模式下)是巨大的。請考慮在主要側MOSFET關閉時的反激拓撲,能量從主要側傳遞到次要側(電流由藍色箭頭表示)。但是,就在下一個周期開始時,在主要側打開之前,同步控制器會關斷MOSFET,以防止直通,進而在剩余時間內使體二極管導通。當主要側在下一個周期的開始時打開,次要MOSFET會沿相反方向導通,直到恢復存儲電荷,從而導致瞬間直通。


將Qrr用于新的MOSFET品質因數

 
與Qrr相關的直通是SMPS故障的主要原因之一。此外,與Qrr相關的電壓峰值和dv/dt使緩沖器設計復雜且有損耗,并且還會導致有害的EMI。Qrr效應的廣泛性意味著它不僅對于效率至關重要,而且對于簡化設計和系統可靠性也是重要的參數。
 
鑒于Qrr參數在開關應用范圍內具有無容忽視的影響,因此強烈建議在選擇MOSFET時將其包含在公式中。與Qg相比,Qrr會對系統的整體運行狀況產生影響。如果您之前忽略這些開關參數,現在就不應該再忽略Qrr了。

查詢進一步信息,請訪問官方網站http://efficiencywins.nexperia.cn/efficient-products/is-todays-accepted-MOSFET-figure-of-merit-still-relevant.html。(Lisa WU, 365PR Newswire)
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