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[导读]在当前市场上,高性能功率 MOSFET 最常见的用途或许也是选择最合适的 FET 的最大挑战。性能、价格和尺寸之间的权衡从来没有比开关模式电源 (SMPS) 中使用的 MOSFET 更混乱。 遍历一个详尽的 SMPS 拓扑列表,包括隔离的和非隔离的,并列出每个拓扑最重要的考虑因素,这可能需要一个新奇的 - 一个比我这样的简单营销工程师拥有更多技术知识的应用程序专家。但我确实希望在本博客的后续段落中,我可以提供至少一些技巧和陷阱来避免。

在当前市场上,高性能功率 MOSFET 最常见的用途或许也是选择最合适的 FET 的最大挑战。性能、价格和尺寸之间的权衡从来没有比开关模式电源 (SMPS) 中使用的 MOSFET 更混乱。

遍历一个详尽的 SMPS 拓扑列表,包括隔离的和非隔离的,并列出每个拓扑最重要的考虑因素,这可能需要一个新奇的 - 一个比我这样的简单营销工程师拥有更多技术知识的应用程序专家。但我确实希望在本博客的后续段落中,我可以提供至少一些技巧和陷阱来避免。

当今市场上的大多数 SMPS 应用都在相对较高的频率下运行,从 100kHz 一直到兆赫兹范围。这意味着,与电机控制等低频应用不同,FET 的选择不仅仅与电阻和传导损耗有关。频率越高,开关损耗越大,这意味着性能最佳或效率最高的 FET 是在低栅极(和其他)电荷和低导通电阻 R DS(上)。

说到电荷,也不一定全都与栅极电荷有关。栅极电荷 Q G决定了 FET 快速开启和关闭的能力,这是关闭越快、电压/电流重叠持续时间越短的硬开关应用的重要考虑因素。这就是为什么经典的 MOSFET 硅品质因数 (FOM) 为 R DS(ON) * Q G,最低值表示最佳性能。但其他开关参数可能同样重要,甚至更重要,具体取决于应用。在高端开关期间,由输出电容 C OSS决定的存储能量损耗 E OSS会对整体系统效率产生很大影响(参见图 1)。

 

1:降压转换器应用中控制 FET 的功率损耗击穿

为了实现当代电源能源标准要求的更高效率,MOSFET 正在取代过去由二极管维护的插座,以用作同步整流器开关(参见图 2)。对于同步整流器 FET,由 MOSFET 体二极管的反向恢复电荷 Q RR决定的反向恢复损耗通常是导致功率损耗的最大因素,仅次于这些传导损耗。对于此类应用,更相关的 FOM 是 R DS(ON) * (1/2 Q OSS + Q RR )。图 3 显示了典型同步整流应用中使用的 80V MOSFET 的功率损耗击穿情况。

 

2:在许多应用中,低电阻 MOSFET 代替整流二极管以提高效率

 

3:同步整流器的功率损耗击穿

在相应 FOM 相对相等的给定 FET 技术中,电阻越低,栅极电荷越高。因此,最有效的解决方案是优化传导损耗和开关损耗各自贡献的解决方案。

考虑一个最近的示例,其中 TI 客户希望推荐同步整流器 FET(针对给定的一组输入条件和特定的输出电流)。图 4 显示了可用的五种不同电阻 FET 选项各自的导通和开关损耗。请注意,在这些条件下,第四个和第五个选项产生的总功率损耗非常相似,两者之间的曲线或多或少是平坦的。但是,第五个选项是第四个选项的 2 倍。在 FET 技术中,电阻与裸片尺寸成反比,因此我们可以(正确地)假设第五个选项是一种更具成本效益的解决方案。

 

4:五种不同 MOSFET 选项的功率损耗——请注意,第四种和第五种选项的总损耗非常相似,尽管导通和开关损耗不同

最后要考虑的几点:

· SMPS 应用需要并联多个 FET 的解决方案并不少见,特别是对于同步整流器。请记住,FET 选项之间的电阻差异将缩小与我们并联的 FET 数量成比例的因子。但与此同时,电荷差异将乘以相同的因子,因此在一定数量的 FET 下,开关损耗将降低整体系统效率。

· 包装选择也很重要。虽然像晶体管外形 TO-220 和 D2PAK 等较旧的封装可以在内部安装大量硅芯片并消耗大量功率(尤其是安装到大型散热器的通孔器件),但它们的封装电阻也比四方扁平无引线高得多( QFN)设备。此外,在高频下,MOSFET 的源极片电感等寄生元件开始发挥更大的作用,并对开关节点振铃和整体系统效率产生毁灭性影响。因此,QFN 封装(如 TI 的 SON5x6 或 SON3x3)可以实现比 TO 封装更高的功率密度,并且几乎总是更适合驱动几百到一千赫兹范围内的更高频率。

· 我们可以直接从 MOSFET 的数据表中辨别出一些关键的 SMPS 参数,例如 R DS(on) Q G 。数据表上的其他参数,如 Q RR Q OSS,则更加不可靠。因此,为了在不同的 FET 供应商之间进行公平的比较,最好获得板载的苹果对苹果的测量结果。



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