使用功率MOSFET常见的一些问题（三）
使用功率MOSFET常见的一些问题（三）
1.体二极管
体二极管是 MOSFET 结构中的固有部分，由 p-body 层和 n-epi 层之间的 p-n 结形成，如图所示。功率MOSFET 是三端器件，其本体和源极在内部连接。这可以通过查看 N 沟道和 P 沟道器件的电路符号来理解。
与其他 p-n 结二极管一样，MOSFET 体二极管具有少数载流子反向恢复，因此具有一定的反向恢复时间。当二极管在承载正向电流的同时反向偏置时，就会发生反向恢复现象。
反向恢复在数据表中的特征是时间trr 和在一组指定条件下测试的反向恢复电荷 Qrr。
在区间（1），二极管处于关断状态，并在区间（2）开始导通。在导通过程结束时，二极管变为正向偏置。反向恢复电荷累积并存储，而正向偏置二极管在区间 (3) 期间承载正电流。在关断区间 (4) 开始时，电流减小到零，然后以相反方向流动。在区间 (5) 期间完成反向恢复，在区间 (6) 完成关断过程，此时二极管处于阻塞状态。图中的阴影区域表示 Qrr，这是硬换向稳固性的关键器件参数。
在半桥功率开关电路中，在将高开关电流进入到感应负载时，体二极管反向恢复就变得很重要。考虑一个在连续导通模式 (CCM) 下工作的同步降压稳压器，Q1 导通，Q2 关断，其中电流 IL 从半桥开关节点流出。
当 Q1 关断时，电感电流通过 Q2 体二极管，然后 Q2 在死区时间结束后导通。在 Q2 导通（同步整流）周期结束时，它再次关断，因此电流再次流过其体二极管。在死区时间结束时，Q1 导通，此时 Q2 体二极管恢复变得至关重要。如果 Q1 导通过快，则 Q2 的集成体二极管的峰值反向恢复电流就会上升过快，继而超过峰值反向恢复电流额定值，器件可能会损坏！
通过减缓换向过程中电流的变化率，可以降低体二极管的峰值反向恢复电流。通过减缓栅极驱动的上升速
度，可以控制电流的变化率，使用这种技术，峰值反向恢复电流可以降低到一个可接受的水平，而代价是要延长高功耗开关周期，因此始终需要权衡取舍。
对于在高达 20 kHz 左右频率下操作而言，可以减缓施加的栅极驱动信号以降低“配对”器件体二极管的峰
值反向恢复电流，这是一个很好的实用解决方案。在较高频率下，必须特别注意 MOSFET 开关所需的电压和电流，并选择合适的器件和栅极驱动方案。
2.封装和PCB布局注意事项
感量取决于漏极和源极连接的内部几何形状。因此，有必要考虑任何设计所需的封装类型，不仅要考虑其
热特性，还要考虑封装电感，而数据手册中可能没有明确说明。简而言之，在硬换向中开关电流高时，SMD 封装的电感要尽可能低，还需要良好的 PCB 布局，以实现可接受的性能，并避免可靠性和潜在的 EMI 问题。在为电源应用设计 PCB 时，建议使用制造商推荐的器件封装，并确保遵循处理和焊接指南 。
电源开关电路中的杂散电感增加了过压瞬态的振幅和能量，因此有必要降低开关速度以避免雪崩事件。电
压瞬态是由电流的快速变化产生的：
其中 LS 由电流回路确定，电流回路从最近的总线去耦电容开始，通过开关元件，然后返回电容。
在电路板布局中，电流回路的电感取决于形成回路的走线距离，以及 DC 总线去耦电容与 MOSFET 的
距离。较长的走线和较大的回路面积也会产生辐射 EMI。通过将 MOSFET 彼此靠近放置并尽可能靠近 DC 总线去耦电容，可以最大限度地减少回路。这可以通过在 PCB 中使用两层或多层线路，并将返回电流路径直接置于电流路径下方来实现，从去耦电容开始，并通过 MOSFET 以提供紧密耦合。返回路径通常采用电源地平面的形式。
通常在多层 PCB 中保留一个或多个铜层来实现。这里应该提到的是，信号/数字地和电源地应该分开，以避免“地弹”，它会影响敏感的控制电路。
电源和信号地最好单点连接，最好是去耦电容接地连接。
3.MOS并联
我们经常会遇到MOS管并联的设计，也存在很多问题。
对于大电流的电源系统而言，了解和控制并联MOSFET 之间的稳态和动态电流平衡非常重要。当器件在欧姆区工作时，有可能实现稳态电流平衡，因为 RDS(on) 具有正温度系数。可以实现电流平衡，
因为如果一个器件由于其 RDS(on) 低于其并联器件而会传导更多电流，则其管芯温度就会升高，从而提高其RDS(on) 并因此实现电流平衡。
为实现有效地工作，器件应靠近放置，并用相同长度和宽度的走线连接到它们的漏极和源极。
然而，在开关条件下，实现并联会更加困难，随着频率的增加，更是如此。这是因为动态效应在每次导通和关断工作期间都会发挥作用，这可能会使一个器件比其他器件承受更大的压力。以下器件参数的错误匹配会影响开关期间的电流分配和功耗：栅极阈值 (VTH)、跨导 (gfs) 栅源电容 (CGS)、米勒电容 (CGD) 和体二极管恢复 (Qrr)，以及 RDS(on)。如果部件匹配不当，一个器件可能会在开关期间承载大部分电流，这可能会超出SOA 限制。
应特别注意功率和热稳定性限制。除此之外，前面描述的热平衡机制需要一些时间才能达到平衡，而当快速开关时，这不可能实现。在并联应用中，应查看数据手册中上述参数的公差，因为更严格的公差控制可以实现更好的动态平衡。
在 PCB 布局中，**栅极回路和电流回路电感需要尽可能保持一致。**电路布局应尽可能保持对称，以保持并联MOSFET 中的电流均衡。并联器件的栅极可以通过放置在栅极连接上的小铁氧体磁珠去耦，或者通过与每个栅极串联的单个电阻去耦，以防止寄生振荡。
栅极驱动电路的设计也很关键。由于当第一个 MOSFET 导通时，并联 MOSFET 不太可能同时导通或关断，因此在源极节点处会出现快速电压摆动。这可以通过较慢并联器件的 CGD 耦合，并在共享栅极连接处产生电压尖峰。这会在 MOSFET 快速导通和关断时产生振荡，可能会损坏 MOSFET 和栅极驱动器。为防止出现这种情况，每个并联 MOSFET 都应有自己的栅极驱动网络，放置在栅极和栅极驱动器的共享连接点之间。
