作者：Jens Wallmann

　　工業(yè)和汽車開關(guān)轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器需要體積小、效率高且產(chǎn)生最小電噪聲的金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。雙 MOSFET 方法有助于滿足這些要求。

　　通過將兩個 MOSFET 放入單個封裝中，精心設(shè)計的雙 MOSFET 可以減少印刷電路板 (PCB) 上的空間占用，減少寄生電感，并通過提高熱性能來消除對笨重且昂貴的散熱器的需求。此類器件可以在數(shù)百千赫茲 (kHz) 的頻率下無干擾地開關(guān)，在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，并且漏電流低。然而，設(shè)計人員必須了解它們的工作特性，才能充分發(fā)揮這些部件的優(yōu)勢。

　　本文介紹了Nexperia的雙 MOSFET 示例，并展示了設(shè)計人員如何使用它們來應(yīng)對堅固、高效和空間受限設(shè)計的挑戰(zhàn)。它討論了優(yōu)化電路和 PCB 設(shè)計的方法，并提供了有關(guān)電熱仿真和損耗分析的技巧。

　　高開關(guān)速度下效率更高

　　雙 MOSFET 適合許多汽車 (AEC-Q101) 和工業(yè)應(yīng)用，包括 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器、電機逆變器和電磁閥控制器。這些應(yīng)用可以在開關(guān)對和半橋拓撲等配置中使用雙 MOSFET。

　　Nexperia LFPAK56D系列是雙 MOSFET 器件的一個值得注意的示例。它們采用 Nexperia 的銅夾技術(shù)，可實現(xiàn)卓越的電流能力、低封裝阻抗和高可靠性(圖 1，右)。這些實心銅夾改善了從半導(dǎo)體基板通過焊接點到 PCB 的散熱，允許大約 30% 的總熱量流過源引腳。大銅橫截面還可以通過減少寄生線路電感來降低歐姆功耗并抑制振鈴。

　　圖 1：LFPAK56D 封裝(右)集成了兩個獨立的 MOSFET，并采用與LFPAK56單 MOSFET 封裝(左)類似的銅夾結(jié)構(gòu)。 (圖片來源：Nexperia)

　　與大多數(shù)用于高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的部件一樣，LFPAK56D 使用超級結(jié)技術(shù)。該設(shè)計降低了漏源“導(dǎo)通”電阻 (R DS(on) ) 和柵漏電荷 (Q GD ) 參數(shù)，從而最大限度地減少功率損耗。在同一基板上運行兩個 MOSFET 進一步降低了漏源電阻。

　　作為超級結(jié) MOSFET，LFPAK56D 系列能夠抵御雪崩事件，并具有較寬的安全工作區(qū) (SOA)。例如，PSMN029-100HLX TrenchMOS 器件中的每個 100 伏 MOSFET 都具有 29 毫歐 (mΩ) R DS(on)，可處理 68 瓦功率，并可傳遞高達 30 安培 (A) 的電流。

　　LFPAK56D 系列還采用NXP 的 SchottkyPlus 技術(shù)來減少尖峰行為和漏電流。例如，PSMN014-40HLDX的典型 R DS(on)典型值為 11.4 mΩ，漏源漏電流極低，僅為 10 納安 (nA)。

　　為了充分利用 MOSFET 的高電流，PCB 的設(shè)計必須能夠散發(fā)高熱量并確保穩(wěn)定的電氣連接。具有足夠通孔和大而厚的銅導(dǎo)線的多層 PCB 可確保高熱性能。

　　避免熱失控

　　雖然完全導(dǎo)通的功率 MOSFET 具有熱穩(wěn)定性，但當(dāng)漏極電流 (I D ) 較低時，存在熱失控風(fēng)險。在此工作狀態(tài)下，局部加熱往往會降低閾值柵源電壓 (V GS(th) )，這意味著器件更容易開啟。這會產(chǎn)生正反饋情況，其中額外的電流會導(dǎo)致更多的熱量和更低的 V GS(th)。

　　圖 2 顯示了恒定漏源電壓 (V DS ) 的這種影響。隨著 V GS的增加，存在一個稱為零溫度系數(shù) (ZTC) 的臨界 I D。高于此電流，存在負反饋和熱穩(wěn)定性(藍色區(qū)域);低于該值，閾值電壓降占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致熱不穩(wěn)定工作點，從而導(dǎo)致熱失控(紅色區(qū)域)。

　　圖 2：在 ZTC 點以下，MOSFET 可能會因熱引起的 V GS下降(紅色區(qū)域)而進入熱失控狀態(tài)。 (圖片來源：Nexperia)

　　這種效應(yīng)會降低低電流和高漏源電壓下的 SOA。對于具有陡峭 dV/dt 斜率的快速開關(guān)操作來說，這不是一個重要問題。然而，隨著開關(guān)持續(xù)時間的增加(例如為了減少電磁干擾)，熱不穩(wěn)定性變得更有可能并且具有潛在危險。

　　高頻下開關(guān)損耗更低

　　當(dāng)為快速開關(guān)應(yīng)用選擇超級結(jié) MOSFET 時，低 Q GD至關(guān)重要，因為這可以顯著降低開關(guān)損耗。

　　當(dāng)漏極、柵極和源極之間同時出現(xiàn)顯著的電壓和電流變化時，開關(guān)期間會出現(xiàn)高功率損耗。低 Q GD會導(dǎo)致短暫的米勒平臺(圖 3，左側(cè))，從而導(dǎo)致陡峭的開關(guān)斜率 (dV ds /dt)，并最終導(dǎo)致開啟期間較低的動態(tài)能量損耗(圖 3，右側(cè)的藍色區(qū)域) )。

　　圖 3：較短的米勒平臺(左)意味著陡峭的開關(guān)斜率，從而導(dǎo)致較低的動態(tài)損耗(右側(cè)的藍色區(qū)域)。 V gp是米勒平臺的柵源電壓; V TH是柵極閾值電壓; I DS是漏源電流。 (圖片來源：Vishay)

　　限制雪崩能量并保護 MOSFET

　　在電機驅(qū)動應(yīng)用中定子線圈關(guān)斷的瞬間，塌陷的磁場會維持電流流動，從而在 MOSFET 上產(chǎn)生疊加在電源電壓 (V DD ) 上的高感應(yīng)電壓。然而， MOSFET 體二極管的反向擊穿電壓 (V BR ) 限制了這個高電壓。在所謂的雪崩效應(yīng)中，MOSFET 將流出的磁能轉(zhuǎn)換為雪崩能量 (E DS )，直到線圈電流降至零。這會使半導(dǎo)體晶體迅速過熱。

　　圖 4 顯示了帶有 MOSFET 開關(guān)的簡單線圈控制以及單個雪崩事件之前、期間(時間窗口 t AL )和之后的時間信號。如果雪崩能量耗散量 (E DS(AL)S ) 過高，產(chǎn)生的熱量將損壞半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

　　圖 4：單個雪崩事件之前、期間 (t AL ) 和之后MOSFET 的時序信號。 (圖片來源：Nexperia)

　　根據(jù) Nexperia 的實驗室測試，LFPAK56D MOSFET 設(shè)計非常堅固，可以承受數(shù)十億次雪崩事件而不會損壞?？紤]到最大雪崩能量，線圈驅(qū)動級可以省去額外的續(xù)流或鉗位二極管，而僅使用這些 MOSFET 的雪崩操作。

　　電熱在線模擬

　　為了提高系統(tǒng)效率，僅僅依靠簡單的品質(zhì)因數(shù) (FOM)(例如 R DS x Q GD產(chǎn)品)是不夠的。相反，設(shè)計人員需要進行更精確的損耗分析，考慮以下原因?qū)е碌?MOSFET 損耗：

　　接通電導(dǎo)率

　　接通和關(guān)斷損耗

　　輸出電容的充電和放電

　　體二極管的連續(xù)性和開關(guān)損耗

　　柵極電容的充電和放電

　　為了最大限度地減少總體損耗，設(shè)計人員必須了解 MOSFET 參數(shù)與工作環(huán)境之間的關(guān)系。為此，Nexperia 提供 MOSFET 的精密電熱模型，該模型結(jié)合了電氣性能和熱性能，并代表了所有重要的 MOSFET 行為。開發(fā)人員可以使用PartQuest Explore在線模擬器或?qū)? SPICE 和 VHDL-AMS 格式的模型導(dǎo)入到他們選擇的模擬平臺中。

　　截至撰寫本文時，LFPAK56D MOSFET 僅提供電氣模型。因此，以下熱仿真示例涉及不同的 MOSFET 類型，即BUK7S1R0-40H。

　　交互式實驗IAN50012 功率 MOSFET 電熱模型模擬了 BUK7S1R0-40H MOSFET 在接通 36.25 A 負載電流后的三種加熱場景。圖 5 左側(cè)顯示了三個模擬設(shè)置。

　　圖 5：所示為使用 PartQuest Explore 在線模擬器對 MOSFET 進行的電熱模擬。 (圖片來源：Nexperia)

　　在上面的“t j _no_self_heating”情況下，結(jié)和安裝基座直接耦合到 0°C 的環(huán)境溫度 (T amb )，沒有熱阻 (R th )。在中間情況“t j _self_heating”中，芯片通過 R th-j耦合，T j上升約 0.4°C。下圖顯示了通過帶散熱器的六層 FR4 板的R th_mb與環(huán)境溫度耦合的安裝底座 (mb)。 T mb(綠色)升至 3.9°C，T j(紅色)升至 4.3°C。

　　結(jié)論

　　超低損耗 LFPAK56D MOSFET 在快速開關(guān)轉(zhuǎn)換器或電機驅(qū)動器中提供出色的效率和功率密度。此處討論的電路和熱 PCB 設(shè)計注意事項以及電熱仿真說明了設(shè)計人員如何克服穩(wěn)健、高效和空間受限設(shè)計的挑戰(zhàn)。