在電流流經(jīng)MOSFET體二極管的應(yīng)用中，反向恢復(fù)電荷Qrr會(huì)引起一些重大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)工程師需要仔細(xì)處理。在低功耗充電器和適配器產(chǎn)品應(yīng)用中，其開關(guān)頻率高且負(fù)載電流一般小于5A，對(duì)I2R損耗的關(guān)注較少，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)密切關(guān)注動(dòng)態(tài)損耗。選擇低Qrr MOSFET可以降低尖峰值，提高效率，降低EMI輻射。

 

在為許多類型的消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)電源時(shí)，效率往往是最重要的因素，這些應(yīng)用包括手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦、可充電的電動(dòng)工具和LED照明，以及不計(jì)其數(shù)的其它產(chǎn)品。 一些應(yīng)用需要高效率，以滿足法定要求，或只是減少散熱，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)。選擇同步MOSFET來滿足所有這些要求可能是一項(xiàng)較為困難的任務(wù)。

 

當(dāng)然，工程師首先會(huì)查看顯眼的數(shù)據(jù)表參數(shù)，選擇電壓和電流額定值合適的器件。由于效率很重要，大多數(shù)器件首先按照RDS(on)選擇。 然后依據(jù)開關(guān)頻率選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)；例如，柵極電荷Qg和Qgd可以很好地反映柵極的預(yù)期損耗。Qg品質(zhì)因數(shù)(FOM = RDS(on) x QG)也可以很好地反映開關(guān)應(yīng)用中MOSFET的效率，同時(shí)MOSFET的電容，Ciss、Coss、Crss可以反映漏極-源極尖峰和柵極擾動(dòng)是否會(huì)成為問題。低電容也有助于提高效率。最后，器件必須能夠適合于您的設(shè)計(jì)，所以您需要查看其尺寸和所采用的封裝。

 

然而，還有另一個(gè)參數(shù)Qrr常常被忽略，它通常位于數(shù)據(jù)表的底部。在電流流經(jīng)MOSFET體二極管的應(yīng)用中，例如，在同步整流器和續(xù)流應(yīng)用中，反向恢復(fù)電荷Qrr會(huì)引起一些重大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)工程師需要仔細(xì)處理。

 

Qrr或反向恢復(fù)電荷是當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，在MOSFET體二極管的PN結(jié)累積的電荷。在大多數(shù)應(yīng)用中，電流在每個(gè)開關(guān)周期流過體二極管兩次，導(dǎo)致電荷累積。之后的電荷釋放，要么是在MOSFET內(nèi)部，要么是作為附加電流(Irr)短暫地流過高邊MOSFET，并在系統(tǒng)中造成額外的損耗。

 

尖峰特性

反向恢復(fù)電流(Irr)也與PCB的寄生電感相互作用，導(dǎo)致漏極-源極電壓(VDS)出現(xiàn)尖峰。這些尖峰可以通過降低PCB的電感或選擇Qrr較低的MOSFET來降低。 如果不能在設(shè)計(jì)階段解決尖峰問題，往往導(dǎo)致工程師不得不使用更高的電壓等級(jí)，因此項(xiàng)目后期需要使用價(jià)格更高昂的MOSFET。

 

但這仍然留下了一個(gè)問題。如果不加以處理，則漏極引腳上的尖峰可以經(jīng)由電容耦合到柵極引腳上，導(dǎo)致所謂的“柵極擾動(dòng)”。如果柵極擾動(dòng)超過MOSFET的閾值電壓，則發(fā)生交叉導(dǎo)通，且MOSFET可能在應(yīng)該關(guān)閉時(shí)導(dǎo)通。如果高端MOSFET和低端MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，電源軌之間會(huì)產(chǎn)生直通電流，造成較大的功率損耗，并有可能損壞MOSFET。

 

讓我們來更詳細(xì)地研究一下這個(gè)問題。在大多數(shù)應(yīng)用所需的死區(qū)時(shí)間，電流在每個(gè)開關(guān)周期會(huì)流過體二極管兩次。讓我們首先考量一下在同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通之前會(huì)發(fā)生什么。由于在死區(qū)時(shí)間內(nèi)電流將流經(jīng)體二極管，因此有些負(fù)載電流將作為積累電荷(Qrr)被捕獲。

當(dāng)同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，則積累的電荷在MOSFET內(nèi)部釋放。因此，部分負(fù)載電流由于Qrr效應(yīng)而損耗，導(dǎo)致同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)產(chǎn)生I2R損耗。

 

在第二種情況下，當(dāng)高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)，MOSFET的體二極管再次發(fā)生反向偏置。附加電流Irr會(huì)短暫流經(jīng)高邊MOSFET，直到積累的電荷Qrr完全耗盡。電荷耗盡不是瞬間完成的，Irr通常會(huì)流動(dòng)幾十納秒，直到Qrr耗盡。反向恢復(fù)時(shí)間Trr被引用于數(shù)據(jù)表中。在這種情況下，Irr會(huì)在高邊MOSFET中導(dǎo)致額外的I2R損耗，如圖1所示。

 

圖1：Irr導(dǎo)致高邊MOSFET中額外的I2R損耗

 

Vds尖峰

反向恢復(fù)電流尖峰Irr也與PCB的寄生電感相互作用，產(chǎn)生電壓尖峰，其中：

V = L x (di/dt)。

 

MOSFET的耐壓值選擇應(yīng)該適當(dāng)，以確保擊穿電壓額定值(BVDS)高于最大尖峰值；通常采用80%降額。測(cè)量的尖峰值為80V 時(shí)，Vds的耐壓一般要求采用BVDS至少100V的MOSFET。

 

柵極擾動(dòng)

當(dāng)Vds尖峰出現(xiàn)時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該在他們的應(yīng)用中查看柵極擾動(dòng)。由于MOSFET的所有三個(gè)端子之間都有電容，因此漏極引腳上的任何尖峰也將通過電容耦合到MOSFET的柵極引腳上。在極端情況下，如果柵極擾動(dòng)超過MOSFET的閾值電壓，則MOSFET會(huì)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

 

預(yù)驅(qū)電路通常需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，以保證高邊MOSFET和低邊MOSFET不能同時(shí)導(dǎo)通。但是，當(dāng)柵極擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，低邊與高邊MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致直通電流在電源軌之間流動(dòng)，從而引起I2R損耗過大，在極端情況下會(huì)導(dǎo)致MOSFET損壞。

 

所有MOSFET都不是相同的

對(duì)于100V MOSFET，在4~8mΩ導(dǎo)通電阻區(qū)間內(nèi)就不同MOSFET供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表參數(shù)進(jìn)行比較時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)不同供應(yīng)商的Qrr存在很大差異。對(duì)于具有類似導(dǎo)通電阻的MOSFET，安世半導(dǎo)體的NextPower 100V技術(shù)提供的Qrr通常比其他MOSFET供應(yīng)商低30%到100%。

在典型應(yīng)用中，因?yàn)楹茈y分離和測(cè)量單個(gè)Qrr效應(yīng)，因此我們依賴于仿真來模擬其效應(yīng)。

對(duì)7mΩ MOSFET PSMN6R9-100YSF的Spice 仿真顯示，當(dāng)Qrr增大至2倍時(shí)，產(chǎn)生的尖峰電壓可以增加約8%，如圖2所示。

 

圖2：通過一款7mΩ MOSFET的Spice仿真顯示，當(dāng)Qrr增大至2倍時(shí)，產(chǎn)生的尖峰電壓增加約8%

 

選擇低Qrr MOSFET也可以顯著提高效率，特別是在低負(fù)載電流下。

 

結(jié)論

在低功耗充電器和適配器產(chǎn)品應(yīng)用中，其開關(guān)頻率高且負(fù)載電流一般小于5A，對(duì)I2R損耗的關(guān)注較少，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)密切關(guān)注動(dòng)態(tài)損耗。選擇低Qrr MOSFET可以降低尖峰值，提高效率，降低EMI輻射，如圖3所示。

 

圖3：低Qrr MOSFET可以降低尖峰值，提高效率，降低EMI輻射