当下公认的MOSFET品质因数还有意义吗?

我们都习惯于将RDS(on)和Qg的乘积视为MOSFET的品质因数。但是,由于现在的栅极驱动器能够有效地满足较大的Qg需求,而且开关拓扑更快,可以创建更小、更高效的系统,因此一些经常被忽略的参数已经上升到“系统关键”的程度。那么,传统的品质因数定义还有意义吗?

从导通和开关性能的角度来看,我们都习惯于将MOSFET的品质因数(FOM)视作漏极至源极通态电阻RDS(on)和栅极电荷Qg的乘积。

FOM = RDS(on) x Qg

在下定义时,这是一个很好的指标,但现在大多数现代MOSFET的Qg均已得到优化。 在不断追求更小、更高效系统的过程中,新一代栅极驱动器不断出现,驱动较大Qg值也变得更加容易和快捷,因此我们可以看到别的参数已经上升到“系统关键”的地位。如果继续沿用传统的品质因数,就会导致制造商忽视其他关键参数,而将资源花费在已经进一步优化得足够好的Qg上。

2018年初,我们讨论了经常被忽视和低估的反向恢复电荷Qrr,以及它对电压峰值和效率的影响。由于传统的品质因数定义通常作为MOSFET选择的控制因素,因此对于当下的电机驱动和SMPS拓扑,我们需要详细地说明Qrr的重要性以及为什么Qg的关键性在不断下降。实际上,对于这些应用,我们甚至建议需要重新定义MOSFET的品质因数,以便我们可以从多种选择中选择合适的MOSFET,以提高效率、简化设计,满足电压峰值和EMI特性等要求。

现在需要进一步了解MOSFET品质因数和Qg的影响

从最纯粹的意义上讲,Qg用于定义任何给定栅极驱动电流下的开关时间,并可在MOSFET之间对开关性能进行实际比较。例如,理论上,由1 A源电流和灌电流驱动的50 nC MOSFET可以在50 ns内打开,然后在另一个50 ns内关断。因此,对于任何给定的栅极驱动电流,具有较低Qg的MOSFET可以更快地打开和关闭,从而有可能减少开关损耗。

但是,实际情况并不是如此简单。让我们以50 nC MOSFET开关48 V线路为例。如果使用5 A驱动,MOSFET可以在10 ns内关闭,但这将导致dv/dt达到巨大的48000 V/µs。这就是为什么几乎所有应用都使用外部栅极电阻(Rg)来控制dv/dt及其相关影响的原因。在设计阶段调整Rg对实现所需的开关性能有很大的影响。

在较旧的系统中,控制器的栅极驱动能力是一个限制因素,尤其是在并联MOSFET的应用中。但是,当下控制器的栅极驱动能力已经大大提高。在更复杂的拓扑结构中,简单的外部栅极驱动级可以轻松提供足够的源电流和灌电流,由此在大多数实际条件下驱动数百nC。

即使在功率效率方面,从整个系统的角度来看,栅极充放电所涉及的损耗通常也仅占系统额定功率的一小部分,这在大多数应用中可以忽略不计。因此,对于大多数应用,即使Qg的差异巨大,产生的实际影响也非常小,甚至是没有影响。但是,值得注意的是,此功率会在栅极驱动组件(外部Rg和栅极驱动器)中耗散,因此在选择这些组件时需要考虑适当的散热。

下面显示了在某些实际应用中的损耗。

应用(栅极动电压=12 V)

MOSFET数量

额定功率(W)

Qg为50 nC的MOSFET的典型Qg损耗(mW)

额定功率中的占比

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%

Qrr在开关应用中的影响

当MOSFET的体二极管允许导通时,Qrr的影响就会突显出来。而这种情况在同步整流应用中非此常见,尤其是在连续导通工作模式期间。

Qrr和直通-同步降压拓扑
Qrr和直通-同步降压拓扑

在死区期间,高端和低端FET均关闭,从而使低端体二极管导通续流电流。这样会产生存储电荷(Qrr)。当高端FET打开时,该电荷会以瞬间直通的形式被移除。高端FET的打开速度决定此恢复电流的di/dt。  除了恢复损耗外,此恢复电流与电路的寄生元件的组合可能导致电压峰值。

Qrr和直通-BLDC全桥拓扑
Qrr和直通-BLDC全桥拓扑

在全桥转换的第5阶段中,Q2的体二极管在导通电流的同时被反向偏置。这会导致恢复电流流过Q1和Q2的体二极管,进而产生直通场景,直到Q2的体二极管完全恢复为止。在恢复瞬间,电流路径中的寄生电感会导致电压摆幅,以尝试保持路径中的电流。该电压偏移与路径中的寄生元件组合,导致在开关节点处产生振铃纹波,从而导致EMI。

Qrr和直通-反激拓扑和其他SMPS拓扑
Qrr和直通-反激拓扑和其他SMPS拓扑

Qrr在反激拓扑和其他SMPS拓扑中的影响(尤其是在连续导通模式下)是巨大的。请考虑在主要侧MOSFET关闭时的反激拓扑,能量从主要侧传递到次要侧(电流由蓝色箭头表示)。但是,就在下一个周期开始时,在主要侧打开之前,同步控制器会关断MOSFET,以防止直通,进而在剩余时间内使体二极管导通。当主要侧在下一个周期的开始时打开,次要MOSFET会沿相反方向导通,直到恢复存储电荷,从而导致瞬间直通。

将Qrr用于新的MOSFET品质因数

与Qrr相关的直通是SMPS故障的主要原因之一。此外,与Qrr相关的电压峰值和dv/dt使缓冲器设计复杂且有损耗,并且还会导致有害的EMI。Qrr效应的广泛性意味着它不仅对于效率至关重要,而且对于简化设计和系统可靠性也是重要的参数。

鉴于Qrr参数在开关应用范围内具有无容忽视的影响,因此强烈建议在选择MOSFET时将其包含在公式中。与Qg相比,Qrr会对系统的整体运行状况产生影响。如果您之前忽略这些开关参数,现在就不应该再忽略Qrr了。