在電流流經(jīng)MOSFET體二極管的應用中，反向恢復電荷Qrr會(huì )引起一些重大的挑戰，設計工程師需要仔細處理。在低功耗充電器和適配器產(chǎn)品應用中，其開(kāi)關(guān)頻率高且負載電流一般小于5A，對I2R損耗的關(guān)注較少，設計工程師應密切關(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(lèi)型的消費和工業(yè)應用設計電源時(shí)，效率往往是最重要的因素，這些應用包括手機、平板電腦和筆記本電腦、可充電的電動(dòng)工具和LED照明，以及不計其數的其它產(chǎn)品。 一些應用需要高效率，以滿(mǎn)足法定要求，或只是減少散熱，從而實(shí)現更小、更輕的最終產(chǎn)品設計。選擇同步MOSFET來(lái)滿(mǎn)足所有這些要求可能是一項較為困難的任務(wù)。

 

當然，工程師首先會(huì )查看顯眼的數據表參數，選擇電壓和電流額定值合適的器件。由于效率很重要，大多數器件首先按照RDS(on)選擇。 然后依據開(kāi)關(guān)頻率選擇動(dòng)態(tài)參數；例如，柵極電荷Qg和Qgd可以很好地反映柵極的預期損耗。Qg品質(zhì)因數(FOM = RDS(on) x QG)也可以很好地反映開(kāi)關(guān)應用中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(wèn)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計，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Qrr常常被忽略，它通常位于數據表的底部。在電流流經(jīng)MOSFET體二極管的應用中，例如，在同步整流器和續流應用中，反向恢復電荷Qrr會(huì )引起一些重大的挑戰，設計工程師需要仔細處理。

 

Qrr或反向恢復電荷是當二極管正向偏置時(shí)，在MOSFET體二極管的PN結累積的電荷。在大多數應用中，電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期流過(guò)體二極管兩次，導致電荷累積。之后的電荷釋放，要么是在MOSFET內部，要么是作為附加電流(Irr)短暫地流過(guò)高邊MOSFET，并在系統中造成額外的損耗。

 

尖峰特性

反向恢復電流(Irr)也與PCB的寄生電感相互作用，導致漏極-源極電壓(VDS)出現尖峰。這些尖峰可以通過(guò)降低PCB的電感或選擇Qrr較低的MOSFET來(lái)降低。 如果不能在設計階段解決尖峰問(wèn)題，往往導致工程師不得不使用更高的電壓等級，因此項目后期需要使用價(jià)格更高昂的MOSFET。

 

但這仍然留下了一個(gè)問(wèn)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，導致所謂的“柵極擾動(dòng)”。如果柵極擾動(dòng)超過(guò)MOSFET的閾值電壓，則發(fā)生交叉導通，且MOSFET可能在應該關(guān)閉時(shí)導通。如果高端MOSFET和低端MOSFET同時(shí)導通，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(lái)更詳細地研究一下這個(gè)問(wèn)題。在大多數應用所需的死區時(shí)間，電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期會(huì )流過(guò)體二極管兩次。讓我們首先考量一下在同步場(chǎng)效應晶體管導通之前會(huì )發(fā)生什么。由于在死區時(shí)間內電流將流經(jīng)體二極管，因此有些負載電流將作為積累電荷(Qrr)被捕獲。

當同步場(chǎng)效應晶體管導通時(shí)，則積累的電荷在MOSFET內部釋放。因此，部分負載電流由于Qrr效應而損耗，導致同步場(chǎng)效應晶體管內產(chǎn)生I2R損耗。

 

在第二種情況下，當高邊MOSFET導通時(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。反向恢復時(shí)間Trr被引用于數據表中。在這種情況下，Irr會(huì )在高邊MOSFET中導致額外的I2R損耗，如圖1所示。

 

圖1：Irr導致高邊MOSFET中額外的I2R損耗

 

Vds尖峰

反向恢復電流尖峰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的耐壓值選擇應該適當，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Vds尖峰出現時(shí)，設計人員還應該在他們的應用中查看柵極擾動(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(guò)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(guò)MOSFET的閾值電壓，則MOSFET會(huì )進(jìn)入導通狀態(tài)。

 

預驅電路通常需要設置死區時(shí)間，以保證高邊MOSFET和低邊MOSFET不能同時(shí)導通。但是，當柵極擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，低邊與高邊MOSFET同時(shí)導通，導致直通電流在電源軌之間流動(dòng)，從而引起I2R損耗過(guò)大，在極端情況下會(huì )導致MOSFET損壞。

 

所有MOSFET都不是相同的

對于100V MOSFET，在4~8mΩ導通電阻區間內就不同MOSFET供應商的數據表參數進(jìn)行比較時(shí)，可以發(fā)現不同供應商的Qrr存在很大差異。對于具有類(lèi)似導通電阻的MOSFET，安世半導體的NextPower 100V技術(shù)提供的Qrr通常比其他MOSFET供應商低30%到100%。

在典型應用中，因為很難分離和測量單個(gè)Qrr效應，因此我們依賴(lài)于仿真來(lái)模擬其效應。

對7mΩ MOSFET PSMN6R9-100YSF的Spice 仿真顯示，當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(guò)一款7mΩ MOSFET的Spice仿真顯示，當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(zhù)提高效率，特別是在低負載電流下。

 

結論

在低功耗充電器和適配器產(chǎn)品應用中，其開(kāi)關(guān)頻率高且負載電流一般小于5A，對I2R損耗的關(guān)注較少，設計工程師應密切關(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