封裝寄生電感是否會影響MOSFET性能？

　　I.引言

　　高效率已成為開關(guān)電源(SMPS)設(shè)計的必需要求。為了達成這一要求，越來越多許多功率半導體研究人員開發(fā)了快速開關(guān)器件，舉例來說，降低器件的寄生電容，并實現(xiàn)低導通電阻，以降低開關(guān)損耗和導通損耗。這些快速開關(guān)器件容易觸發(fā)開關(guān)瞬態(tài)過沖。這對SMPS設(shè)計中電路板布局帶來了困難，并且容易引起了柵極信號振蕩。為了克服開關(guān)瞬態(tài)過沖，設(shè)計人員通常采取的做法是借助緩沖電路提高柵極電阻阻值，以減慢器件開關(guān)速度，抑制過沖，但這會造成相對較高的開關(guān)損耗。對于采用標準通孔封裝的快速開關(guān)器件，總是存在效率與易用性的折衷問題。

　　在處理電路板布局和器件封裝產(chǎn)生的寄生電感時，快速開關(guān)器件接通和關(guān)斷控制是關(guān)鍵問題。特別是，封裝源極寄生電感是是器件控制的關(guān)鍵因素。在本文中，英飛凌提出了一種用于快速開關(guān)超結(jié)MOSFET的最新推出的TO247 4引腳器件封裝解決方案。這個解決方案將源極連接分為兩個電流路徑;一個用于實現(xiàn)功率連接，另一個用于實現(xiàn)驅(qū)動器連接。這樣一來，器件就能保持快的開關(guān)速度，同時又不必犧牲接通和關(guān)斷控制能力。

　　本文編排如下：在第二節(jié)，將利用硬開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器來分析并開發(fā)一個簡單的高頻模型，該模型采用了具備MOSFET寄生參數(shù)和電路板寄生參數(shù)的標準通孔封裝傳統(tǒng)的TO247(即：電源電流路徑和驅(qū)動電流路徑是相同的)。第三節(jié)將對最新推出的TO247 4引腳封裝做詳盡的電路分析，以表明TO247 4引腳封裝在開關(guān)速度、效率和驅(qū)動能力等方面的有效性。最后，第四節(jié)分析了實驗波形和效率測量，以驗證最新推出的TO247 4引腳封裝的性能。

　　II.分析升壓轉(zhuǎn)換器中采用傳統(tǒng)的TO247封裝的MOSFET

　　A.開關(guān)瞬態(tài)下的MOSFET操作時序

　　要分析快速開關(guān)MOSFET中的封裝寄生電感產(chǎn)生的影響，必須十分理解MOSFET工作處理。硬開關(guān)關(guān)斷通常出現(xiàn)在硬開關(guān)拓撲和零電壓開關(guān)拓撲中。本小節(jié)將逐步分析MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)操作。圖1所示為硬開關(guān)關(guān)斷瞬態(tài)下，理想MOSFET的工作波形和工作順序。

　　圖1升壓轉(zhuǎn)換器中的MOSFET的典型關(guān)斷瞬態(tài)波形

　　當驅(qū)動器發(fā)出關(guān)斷信號后，即開始階段1 [t=t1]操作，柵極與源極之間的MOSFET電容器Cgs將開始放電。此時，MOSFET阻斷特性保持不變。這個t1階段被稱為延時，它表征著MOSFET的響應(yīng)時間。當MOSFET柵源電壓Vgs達到柵極平臺電壓Vgs(Miller)時，這個階段便告結(jié)束。

　　當Vgs與Vgs(Miller)相等之后，將進入階段2 [t=t2]，在此期間，其電壓水平將保持不變。負載電流將對漏極與源極之間的MOSFET電容器Cds進行充電，以重建空間電荷區(qū)。這個階段將一直持續(xù)至MOSFET漏源電壓Vds達到電路輸出電壓時為止。

　　階段3 [t=t3]，Cgs將繼續(xù)放電。漏電流Id和Vgs開始線性下降，阻斷MOSFET導通通道。當Vgs與柵極閾值電壓Vgs(th)相等，并且Id變?yōu)榱銜r，這個階段即結(jié)束。這個階段結(jié)束后，MOSFET將完全關(guān)斷。

　　階段4 [t=t4]，柵極驅(qū)動對Cgs持續(xù)放電，直至Vgs電壓水平變?yōu)榱恪?/p>

　　B.傳統(tǒng)的TO247封裝MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)特性分析

　　利用升壓轉(zhuǎn)換器，評估了封裝寄生電感對MOSFET開關(guān)特性的影響。圖2所示為傳統(tǒng)的TO247 MOSFET等效模型的詳情，以及升壓轉(zhuǎn)換器電路和寄生電感的詳情。對于MOSFET模型，3個電容為硅結(jié)構(gòu)，分別位于各個連接引腳之間：柵漏電容Cgd、漏源電容Cds和柵源電容Cgs.鍵合絲產(chǎn)生了MOSFET寄生電感：柵極寄生電感Lg1、漏極寄生電感Ld1和源極寄生電感Ls1.這個模型也包含了電路板電路布局產(chǎn)生的雜散電感：Ld2、Ld3、Lg2和Ls2.分析中，LS等于Ls1+Ls2，Lg等于Lg1+Lg2，RG等于Int.Rg+Ext.Rg.

　　圖2.升壓轉(zhuǎn)換器中的TO247封裝MOSFET等效模型和寄生電感

　　參照小節(jié)A中討論的關(guān)斷瞬態(tài)順序，源極電感LS主要在瞬態(tài)階段3影響到MOSFET開關(guān)特性。柵極驅(qū)動路徑顯示為紅色，漏電流在藍色環(huán)路上流動?？焖匐娏魉矐B(tài)過程中，LS引發(fā)電壓降VLs，這能抵消會降低驅(qū)動能力和減慢器件速度的柵極電壓。

　　通過在驅(qū)動環(huán)路上運用基爾霍夫電壓定律，柵源電壓Vgs(t)可以表示為：

　　從等式(2)和(3)可知，源極電感可以減慢開關(guān)瞬態(tài)，加劇開關(guān)過程中的有關(guān)能耗。在傳統(tǒng)的TO247 MOSFET配置中，電路源極電感是MOSFET封裝源電感Ls1與電路板布局源極電感Ls2之和。始終必須最大限度地降低封裝源和電路板寄生的源極電感，因為二者均為關(guān)鍵控制要素。較之采用通孔封裝的MOSFET，通過將無引線SMD封裝用于MOSFET，可以最大限度地降低封裝中的寄生源電感。因此，采用SMD封裝的MOSFET也能實現(xiàn)快速開關(guān)，同時降低開關(guān)損耗。適用于4引腳器件的SMD封裝名為“ThinkPAK 8X8”。