運用雙 MOSFET 讓切換式轉換器應用達到最高功率密度和效能

工業和汽車切換式轉換器和馬達驅動器需要體積小、效率高且產生最小電氣雜訊的金屬氧化物矽場效電晶體 (MOSFET)。雙 MOSFET 方式有助於滿足這些要求。

精心設計的雙 MOSFET 係將兩個 MOSFET 置入單一封裝中，藉此減少印刷電路板 (PCB) 上的空間佔用、降低寄生電感，並透過提高熱效能消除對笨重且昂貴的散熱片之需求。此類裝置可在數百千赫茲 (kHz) 的頻率下無干擾地切換，在較寬廣的溫度範圍內穩定運作，且漏電流低。然而，設計人員必須瞭解它們的工作特性，才能充分發揮這些零件的優勢。

本文介紹 Nexperia 的雙 MOSFET 範例，並展示設計人員如何加以運用來因應耐用、高效率和空間受限設計的挑戰。接著討論最佳化電路和 PCB 設計的方法，並提供有關電熱模擬和損耗分析的技巧。

高切換速度下效率更高

雙 MOSFET 適合許多汽車 (AEC-Q101) 和工業應用，包括 DC/DC 切換式轉換器、馬達逆變器、電磁閥控制器等。這些應用可以在開關對和半橋拓撲等配置中使用雙 MOSFET。

Nexperia 的 LFPAK56D 系列是雙 MOSFET 元件值得一提的範例。其採用 Nexperia 的銅夾技術，能達到卓越的電流能力、低封裝阻抗和高可靠性 (圖 1，右)。這些實心銅夾改善從半導體基板通過焊接點到 PCB 的散熱，允許大約 30% 的總熱量流過源極引腳。大型銅橫截面還可以減少寄生線路電感，進而降低歐姆功耗並抑制振鈴。

圖 1：LFPAK56D 封裝 (右) 整合兩個獨立的 MOSFET，並使用與 LFPAK56 單 MOSFET 封裝 (左) 類似的銅夾結構。(圖片來源：Nexperia)

與大多數用於高壓切換式轉換器的零件一樣，LFPAK56D 使用超級接面技術。此設計可降低汲極源極「導通」電阻 (R_DS(on)) 和閘極汲極電荷 (Q_GD) 參數，將功率損耗降至最低。在同一基板上執行兩個 MOSFET，進一步降低汲極源極電阻。

LFPAK56D 系列是超級接面 MOSFET，能夠抵禦雪崩事件，並具有較寬廣的安全工作區 (SOA)。例如，PSMN029-100HLX TrenchMOS 裝置中的每個 100 V MOSFET 都有一個 29 mΩ R_DS(on)，可以處理68 W 功率，並且可以傳輸高達至 30 A。

LFPAK56D 系列也使用 NXP 的 SchottkyPlus 技術，減少尖峰行為和漏電流。例如，PSMN014-40HLDX 的典型 R_DS(on) 通常為 11.4 mΩ，汲極源極漏電流極低，僅 10 nA。

為了充分運用 MOSFET 的高電流，PCB 的設計必須能夠散逸高熱量並確保穩定的電氣連接。多層 PCB 具有足夠通孔和大且厚的銅導線，可確保高散熱效能。

避免熱失控

全切換開啟的功率 MOSFET 為熱穩定，但汲極電流 (I_D) 較低時會有熱失控風險。在此工作狀態下，局部升溫往往會降低閾值閘極源極電壓 (V_GS(th))，這代表元件更容易開啟。這會產生正回授，其中額外的電流會導致更多的熱量和更低的 V_GS(th)。

圖 2 顯示對於恆定汲極源極電壓 (V_DS) 的影響。V_GS 增加，會有一個臨界值 I_D，稱為零溫度係數 (ZTC)。高於此電流，會有負回授且熱穩定 (藍色區域)；低於該值，閾值電壓壓降會主導，導致熱不穩定工作點，進而發生熱失控 (紅色區域)。

圖 2：在 ZTC 點以下，MOSFET 可能會因熱感應 V_GS 下降 (紅色區域) 而進入熱失控狀態。(圖片來源：Nexperia)

這種效應會降低低電流和高汲極源極電壓下的 安全工作區。對於具有陡峭 dV/dt 斜率的快速切換操作而言，這不是一個嚴重的問題。然而，隨著切換持續時間的增加 (例如為了減少電磁干擾)，更有可能造成熱不穩定，且更具有潛在危險。

高頻下切換損耗更低

為快速切換式應用選擇超級接面 MOSFET 時，必須具備低 Q_GD，才可以明顯降低切換損耗。

當汲極、閘極、源極之間同時出現明顯的電壓和電流變化時，切換期間會出現高功率損耗。低 Q_GD 會產生短米勒平台 (圖 3，左)，產生陡峭的切換斜率 (dV_ds/dt)，並最終在開啟時有較低的動態能量損耗 (圖 3，右側藍色區域)。

圖 3：短米勒平台 (左) 代表陡峭的切換斜率，達到低動態損耗 (右側藍色區域)。V_gp 為米勒平台閘極源極電壓；V_TH 為閘極閾值電壓； I_DS 是汲極源極電流。(圖片來源：Vishay)

限制雪崩能量並保護 MOSFET

在馬達驅動應用中，定子線圈的關斷時刻，塌陷的磁場會維持電流流動，進而在 MOSFET 上產生疊加在電源電壓上的高感應電壓 (V_DD)。不過，MOSFET 本體二極體的逆向崩潰電壓 (V_BR) 會限制此高電壓。在所謂的雪崩效應中，MOSFET 將流出的磁能量轉換為雪崩能量 (E_DS)，直到線圈電流降至零。這會使半導體晶體迅速過熱。

圖 4 顯示以一個 MOSFET 開關進行簡單線圈控制，以及在單一雪崩事件之前、期間 (時間窗口 t_AL) 和之後的時間訊號。如果散逸的雪崩能量 (E_DS(AL)S) 過高，產生的熱量將損壞半導體結構。

圖 4：單一雪崩事件之前、期間 (t_AL) 和之後MOSFET 的時序訊號。(圖片來源：Nexperia)

根據 Nexperia 的實驗室測試，LFPAK56D MOSFET 的設計非常堅固，可以承受數十億次雪崩事件而不會損壞。考量最大雪崩能量，線圈驅動級可以省去額外的續流或箝位二極體，而僅使用這些 MOSFET 的雪崩操作。

電熱線上模擬

為了提高系統效率，僅依靠簡單的品質因數 (FOM) (例如 R_DS x Q_GD 乘積) 是不夠的。而是設計人員需要進行更精確的損耗分析，考量以下因素導致的 MOSFET 損耗：

• 接通傳導率
• 接通和關斷損耗
• 輸出電容的充電與放電
• 本體二極體的連續性與切換損耗
• 閘極電容的充電與放電

為了將整體損耗降至最低，設計人員必須瞭解 MOSFET 參數與工作環境之間的關係。為此，Nexperia 提供 MOSFET 的精密電熱模型，結合電氣效能和熱效能，並展現 MOSFET 的所有重要特性。開發人員可以使用 PartQuest Explore 線上模擬器或匯入 SPICE 和 VHDL-AMS 格式的模型到模擬平台中。

截至撰寫本文時，LFPAK56D MOSFET 僅提供電氣模型。因此，以下熱模擬範例涉及另一種 MOSFET 類型，即 BUK7S1R0-40H。

互動式實驗 IAN50012 功率 MOSFET 的電熱模型模擬 BUK7S1R0-40H MOSFET 在接通 36.25 A 負載電流後的三種加熱情境。圖 5 左側顯示三個模擬設定。

圖 5：使用 PartQuest Explore 線上模擬器對 MOSFET 進行的電熱模擬。(圖片來源：Nexperia)

上方的「t_j_no_self_heating」案例中，接面和安裝基座直接耦合到 0°C 的環境溫度 (T_amb)，且無熱阻 (R_th)。在中間案例「t_j_self_heating」中，晶片透過 R_th-j耦合，T_j 升高約 0.4°C。下方的案例顯示含散熱片的六層 FR4 板的 R_{th_mb} 與環境溫度耦合的安裝基座 (mb)。T_mb (綠) 上升至 3.9°C，T_j (紅) 上升至 4.3°C。

結論

超低損耗 LFPAK56D MOSFET 在快速切換式轉換器或馬達驅動器中提供出色的效率和功率密度。本文討論電路和 PCB 設計熱注意事項，以及電熱模擬，說明設計人員如何克服要求耐用、高效率和空間受限設計的挑戰。