滿足開關電源要求的功率MOSFET
近年來,電源的輸出電壓越來越低、輸出電流越來越大(某些電源系統輸出幾十安培到上百安培)。因此,電源設計中采用開關電源控制器、加上多個驅動器及功率 MOSFET組成的多相開關電源能滿足這種要求。若采用多相控制器與功率MOSFET組成的結構,應用十分靈活,可以根據輸出電流的大小合理選擇開關管及同步整流管,并且可獲得很好的轉模效率及低的紋波電壓。
為減少在工作頻率高時的開關管損耗,要求開關管的柵極電容小、導通電阻小;并且要求輸出漏極電流大,不少功率MOSFET廠家紛紛開發出各種低Qg、低RDS(on)及大ID的專用開關電源MOSFET。本文介紹Infineon公司在2007年7月推出的為開關電源設計的N溝道高開關速度功率MOSFET。它的型號是BSCO16NO3LSG。它的產品摘要為:VDS=30V、RDS(on)=1.6mΩ、ID=100A。
主要特點及有關參數
BSCO16NO3LSG的主要特點及有關參數:
1. 可采用TTL邏輯電壓控制;
2. 在TTL邏輯高電壓時,其導通電阻RDS(on)很小。如VGS=5V時,RDS(on)=1.7mΩ;VGS=4.5V時,RDS(on)=1.8 mΩ;VGS=4V時,RDS(on)=2mΩ;并且ID在0~50A范圍內變化,RDS(on)不變,柵極電荷Qg×RDS(on)的乘積小,有利于工作于高頻率時減小損耗及具有良好的開關特性;
3. 熱阻RJC低,RJC=1℃/W;并且在40mm×40mm×1.5mm單層敷銅板(環氧樹脂PCB),其銅層面積為6cm2(銅層厚70μM),PCB垂直在靜止空氣中的熱阻RJA=50℃/W。這說明在一定工作條件下,功率MOSFET所需的冷卻散熱的PCB面積不大,可以減少PCB面積;
4. 小尺寸PG—TDSON—8封裝(一種封裝背面有較大面積散熱墊的結構),其尺寸為:6mm×5mm×1mm。
5. 在足夠大的散熱面積條件下,VGS=4.5V,該器件散熱墊的溫度TC在25℃~100℃范圍,其最大的連續ID可達100A。如果在其散熱敷銅層面積為6cm2的條件下(RJA=50℃/W),VGS=10V、TA環境溫度=25℃,其最大連續ID為32A。如果要求連續ID大于32A,可增加散熱面積或采用雙層敷銅層的PCB。
漏極電流ID與MOSFET散熱墊的溫度TC的關系表明:在VGS≥10V時,即使TC=120℃,也可保證ID=100A,脈沖漏極電流可達400A;
6. 該MOSFET的最大功耗在TC=25℃時,Ptot=125W。這與散熱條件有關。如果在TA=25℃,RJA=50℃/W的條件下(即散熱面積僅6cm2層敷銅層)時,其最大允許功耗僅2.5W。如果要增加最大允許功耗時可增加散熱面積或采用雙層銅層的PCB;
7. 該MOSFET的輸出特性如圖3所示,
滿足同步整流的工作安全
在同步整流的電路中,它由高端MOSFET(HS)及低端MOSFET(LS)組成,如圖5所示。HS及LS由驅動器驅動,在正常工作時:HS導通時,LS截止;HS截止時,LS導通。為防止HS沒有關斷、LS開始導通的情況發生,在HS截止時有個死區時間后LS才導通。
由于MOSFET管內存在極間電容Cgd及Cgs,在HS開始導通時,有電流Icgd流經Cgd、經過Rgate+Rdrive后到地而產生一個△VGS、△VGS=(Rgate+Rdrive)×Icgd,如果△VGS大于LS的VGS(th),則可能使LS導通,即產生HS及LS都導通的情況,這將使MOSFET造成損壞。若LS中的Cgd和Cgs的比值Cgd/Cgs≤1時,這種HS及LS同時導通的事故可避免。BSCO16NO3LSG在工藝上可做到Cgd/Cgs≈0.48的最佳比值,使同步整流的工作很安全(資料中給出Qgd典型值為10nC,Qgs典型值為21nC,其比值為0.476)。
引腳排列
該MOSFET采用散熱良好、熱阻RJC小的PG—TDSON—8封裝,其引腳排列如圖6所示。為保證良好散熱,在印制板設計時,4個漏極并聯引腳D的焊盤與其背面散熱墊的焊接面連接在一起,3個源極并聯的焊盤尺寸也盡量的大,有利于散熱。一種印制板圖形設計如圖7所示。
BSCO16NO3LSG的參數較多,并相應的有很多特性曲線。在OptiMos系列功率MOSFET有各種封裝的N-MOSFET,適用于各種開關電源。
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