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我們都習(xí)慣于將RDS(on)和Qg的乘積視為MOSFET的品質(zhì)因數(shù)。但是，由于現(xiàn)在的柵極驅(qū)動(dòng)器能夠有效地滿足較大的Qg需求，而且開關(guān)頻率更快，可以創(chuàng)建更小、更高效的系統(tǒng)，因此一些經(jīng)常被忽略的參數(shù)已經(jīng)上升到“系統(tǒng)關(guān)鍵”的程度。那么，傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)定義還有意義嗎？
從導(dǎo)通和開關(guān)性能的角度來看，我們都習(xí)慣于將MOSFET的品質(zhì)因數(shù)(FOM)視作漏極至源極通態(tài)電阻RDS(on)和柵極電荷Qg的乘積。
FOM = RDS(on) x Qg
在下定義時(shí)，這是一個(gè)很好的指標(biāo)，但現(xiàn)在大多數(shù)MOSFET的Qg均已得到優(yōu)化。 在不斷追求更小、更高效系統(tǒng)的過程中，新一代柵極驅(qū)動(dòng)器不斷出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)較大Qg值也變得更加容易和快捷，因此我們可以看到其他參數(shù)已成為“系統(tǒng)關(guān)鍵”。如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致制造商忽視其他關(guān)鍵參數(shù)，而將資源花費(fèi)在進(jìn)一步優(yōu)化得到更好的Qg。
2018年初，我們討論了經(jīng)常被忽視和低估的反向恢復(fù)電荷Qrr，以及它對(duì)電壓峰值和效率的影響。由于傳統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)定義通常作為MOSFET選型限制因素，因此對(duì)于當(dāng)下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和SMPS拓?fù)?，我們需要詳?xì)地說明Qrr的重要性以及為什么Qg的關(guān)鍵性在不斷下降。實(shí)際上，對(duì)于這些應(yīng)用，我們甚至建議需要重新定義MOSFET的品質(zhì)因數(shù)，以便我們可以從不同應(yīng)用中選擇合適的MOSFET，以提高效率、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，滿足電壓峰值和EMI特性等要求。
現(xiàn)在需要進(jìn)一步了解MOSFET品質(zhì)因數(shù)和Qg的影響
從最純粹的意義上講，Qg用于給定柵極驅(qū)動(dòng)電流下的開關(guān)時(shí)間，并可對(duì)MOSFET開關(guān)性能進(jìn)行實(shí)際比較。例如，理論上，由1 A源電流和灌電流驅(qū)動(dòng)的50 nC MOSFET可以在50 ns內(nèi)打開，然后在另一個(gè)50 ns內(nèi)關(guān)斷。因此，對(duì)于任何給定的柵極驅(qū)動(dòng)電流，具有較低Qg的MOSFET可以更快地打開和關(guān)閉，從而有可能減少開關(guān)損耗。
但是，實(shí)際情況并不是如此簡(jiǎn)單。讓我們以50 nC MOSFET開關(guān)48 V線路為例。如果使用5 A驅(qū)動(dòng)，MOSFET可以在10 ns內(nèi)關(guān)閉，但這將導(dǎo)致巨大dv/dt達(dá)到48000 V/μs。這就是為什么幾乎所有應(yīng)用都使用外部柵極電阻(Rg)來控制dv/dt及其相關(guān)影響的原因。在設(shè)計(jì)階段調(diào)整Rg對(duì)實(shí)現(xiàn)所需的開關(guān)性能有很大的影響。
在之前系統(tǒng)中，控制器的柵極驅(qū)動(dòng)能力是一個(gè)限制因素，尤其是在并聯(lián)MOSFET的應(yīng)用中。但是，當(dāng)下控制器的柵極驅(qū)動(dòng)能力已經(jīng)大大提高。在更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，簡(jiǎn)單的外部柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)可以輕松提供足夠的源電流和灌電流，由此在大多數(shù)實(shí)際條件下驅(qū)動(dòng)數(shù)百nC。
即使在效率方面，從整個(gè)系統(tǒng)的角度來看，柵極充放電所涉及的損耗通常也僅占系統(tǒng)額定功率的一小部分，這在大多數(shù)應(yīng)用中可以忽略不計(jì)。因此，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，即使Qg的差異巨大，產(chǎn)生的實(shí)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(huì)在柵極驅(qū)動(dòng)組件（外部Rg和柵極驅(qū)動(dòng)器）中耗散，因此在選擇這些組件時(shí)需要考慮適當(dāng)?shù)纳帷?/p>
下面顯示了在某些實(shí)際應(yīng)用中的損耗。
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| 應(yīng)用（柵極動(dòng)電壓=12 V） | MOSFET數(shù)量 | 額定功率(W) | Qg為50 nC的MOSFET的典型Qg損耗(mW) | 額定功率中的占比 |
| 反激@60kHz | 1 | 30 | 36 | 0.12% |
| 三相BLDC@20 kHz | 6 | 750 | 72 | 0.01% |
| LLC@150 kHz | 2 | 250 | 180 | 0.07% |
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Qrr在開關(guān)應(yīng)用中的影響
當(dāng)MOSFET的體二極管允許導(dǎo)通時(shí)，Qrr的影響就會(huì)突顯出來。而這種情況在同步整流應(yīng)用中很常見，尤其是在連續(xù)導(dǎo)通工作模式期間。
Qrr和直通-同步降壓拓?fù)?/p>
在死區(qū)期間，高邊和低邊FET均關(guān)閉，從而使低邊體二極管導(dǎo)通續(xù)流電流。這樣會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)電荷(Qrr)。當(dāng)高邊FET打開時(shí)，該電荷會(huì)以瞬間直通的形式被移除。高邊FET的打開速度決定了恢復(fù)電流的di/dt。 ?除了恢復(fù)損耗外，反向恢復(fù)電流與電路的寄生雜感可能會(huì)導(dǎo)致電壓峰值。
Qrr和直通-BLDC全橋拓?fù)?/p>
在全橋轉(zhuǎn)換的第5階段中，Q2的體二極管在導(dǎo)通電流的同時(shí)被反向偏置。這會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)電流流過Q1和Q2的體二極管，進(jìn)而產(chǎn)生直通場(chǎng)景，直到Q2的體二極管完全恢復(fù)為止。在恢復(fù)瞬間，電流路徑中的寄生電感會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生振鈴紋波，從而導(dǎo)致EMI。
Qrr和直通-反激拓?fù)浜推渌鸖MPS拓?fù)?/p>
Qrr在反激拓?fù)浜推渌鸖MPS拓?fù)渲械挠绊懀ㄓ绕涫窃谶B續(xù)導(dǎo)通模式下）是巨大的。當(dāng)考慮原邊MOSFET關(guān)閉時(shí)的反激拓?fù)?，能量從原邊傳遞到副邊（電流由藍(lán)色箭頭表示）。但是，就在下一個(gè)周期開始時(shí)，在原邊打開之前，同步控制器會(huì)關(guān)斷MOSFET，以防止直通，進(jìn)而在剩余時(shí)間內(nèi)使體二極管導(dǎo)通。當(dāng)原邊在下一個(gè)周期的開始時(shí)打開，副邊MOSFET會(huì)沿反方向?qū)?，直到恢?fù)存儲(chǔ)電荷，從而導(dǎo)致瞬間直通。
將Qrr用于新的MOSFET品質(zhì)因數(shù)
與Qrr相關(guān)的直通是SMPS故障的主要原因之一。此外，與Qrr相關(guān)的電壓峰值和dv/dt使緩沖器設(shè)計(jì)復(fù)雜且產(chǎn)生損耗，并且還會(huì)導(dǎo)致EMI干擾。Qrr影響意味著它不僅對(duì)于效率至關(guān)重要，而且對(duì)于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及可靠性也非常重要。
鑒于Qrr參數(shù)在開關(guān)應(yīng)用中影響不可忽視，因此強(qiáng)烈建議在選擇MOSFET時(shí)將其考慮在內(nèi)。與Qg相比，Qrr對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率有很大影響。如果您之前忽略這些開關(guān)參數(shù)，現(xiàn)在就不應(yīng)該再忽略Qrr了。
審核編輯：郭婷
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