作者：Jens Wallmann

　　工业和汽车开关转换器和电机驱动器需要体积小、效率高且产生最小电噪声的金属氧化物硅场效应晶体管 (MOSFET)。双 MOSFET 方法有助于满足这些要求。

　　通过将两个 MOSFET 放入单个封装中，精心设计的双 MOSFET 可以减少印刷电路板 (PCB) 上的空间占用，减少寄生电感，并通过提高热性能来消除对笨重且昂贵的散热器的需求。此类器件可以在数百千赫兹 (kHz) 的频率下无干扰地开关，在较宽的温度范围内稳定运行，并且漏电流低。然而，设计人员必须了解它们的工作特性，才能充分发挥这些部件的优势。

　　本文介绍了Nexperia的双 MOSFET 示例，并展示了设计人员如何使用它们来应对坚固、高效和空间受限设计的挑战。它讨论了优化电路和 PCB 设计的方法，并提供了有关电热仿真和损耗分析的技巧。

　　高开关速度下效率更高

　　双 MOSFET 适合许多汽车 (AEC-Q101) 和工业应用，包括 DC/DC 开关转换器、电机逆变器和电磁阀控制器。这些应用可以在开关对和半桥拓扑等配置中使用双 MOSFET。

　　Nexperia LFPAK56D系列是双 MOSFET 器件的一个值得注意的示例。它们采用 Nexperia 的铜夹技术，可实现卓越的电流能力、低封装阻抗和高可靠性(图 1，右)。这些实心铜夹改善了从半导体基板通过焊接点到 PCB 的散热，允许大约 30% 的总热量流过源引脚。大铜横截面还可以通过减少寄生线路电感来降低欧姆功耗并抑制振铃。

　　图 1：LFPAK56D 封装(右)集成了两个独立的 MOSFET，并采用与LFPAK56单 MOSFET 封装(左)类似的铜夹结构。 (图片来源：Nexperia)

　　与大多数用于高压开关转换器的部件一样，LFPAK56D 使用超级结技术。该设计降低了漏源“导通”电阻 (R DS(on) ) 和栅漏电荷 (Q GD ) 参数，从而最大限度地减少功率损耗。在同一基板上运行两个 MOSFET 进一步降低了漏源电阻。

　　作为超级结 MOSFET，LFPAK56D 系列能够抵御雪崩事件，并具有较宽的安全工作区 (SOA)。例如，PSMN029-100HLX TrenchMOS 器件中的每个 100 伏 MOSFET 都具有 29 毫欧 (mΩ) R DS(on)，可处理 68 瓦功率，并可传递高达 30 安培 (A) 的电流。

　　LFPAK56D 系列还采用NXP 的 SchottkyPlus 技术来减少尖峰行为和漏电流。例如，PSMN014-40HLDX的典型 R DS(on)典型值为 11.4 mΩ，漏源漏电流极低，仅为 10 纳安 (nA)。

　　为了充分利用 MOSFET 的高电流，PCB 的设计必须能够散发高热量并确保稳定的电气连接。具有足够通孔和大而厚的铜导线的多层 PCB 可确保高热性能。

　　避免热失控

　　虽然完全导通的功率 MOSFET 具有热稳定性，但当漏极电流 (I D ) 较低时，存在热失控风险。在此工作状态下，局部加热往往会降低阈值栅源电压 (V GS(th) )，这意味着器件更容易开启。这会产生正反馈情况，其中额外的电流会导致更多的热量和更低的 V GS(th)。

　　图 2 显示了恒定漏源电压 (V DS ) 的这种影响。随着 V GS的增加，存在一个称为零温度系数 (ZTC) 的临界 I D。高于此电流，存在负反馈和热稳定性(蓝色区域);低于该值，阈值电压降占主导地位，导致热不稳定工作点，从而导致热失控(红色区域)。

　　图 2：在 ZTC 点以下，MOSFET 可能会因热引起的 V GS下降(红色区域)而进入热失控状态。 (图片来源：Nexperia)

　　这种效应会降低低电流和高漏源电压下的 SOA。对于具有陡峭 dV/dt 斜率的快速开关操作来说，这不是一个重要问题。然而，随着开关持续时间的增加(例如为了减少电磁干扰)，热不稳定性变得更有可能并且具有潜在危险。

　　高频下开关损耗更低

　　当为快速开关应用选择超级结 MOSFET 时，低 Q GD至关重要，因为这可以显着降低开关损耗。

　　当漏极、栅极和源极之间同时出现显着的电压和电流变化时，开关期间会出现高功率损耗。低 Q GD会导致短暂的米勒平台(图 3，左侧)，从而导致陡峭的开关斜率 (dV ds /dt)，并最终导致开启期间较低的动态能量损耗(图 3，右侧的蓝色区域) )。

　　图 3：较短的米勒平台(左)意味着陡峭的开关斜率，从而导致较低的动态损耗(右侧的蓝色区域)。 V gp是米勒平台的栅源电压; V TH是栅极阈值电压; I DS是漏源电流。 (图片来源：Vishay)

　　限制雪崩能量并保护 MOSFET

　　在电机驱动应用中定子线圈关断的瞬间，塌陷的磁场会维持电流流动，从而在 MOSFET 上产生叠加在电源电压 (V DD ) 上的高感应电压。然而， MOSFET 体二极管的反向击穿电压 (V BR ) 限制了这个高电压。在所谓的雪崩效应中，MOSFET 将流出的磁能转换为雪崩能量 (E DS )，直到线圈电流降至零。这会使半导体晶体迅速过热。

　　图 4 显示了带有 MOSFET 开关的简单线圈控制以及单个雪崩事件之前、期间(时间窗口 t AL )和之后的时间信号。如果雪崩能量耗散量 (E DS(AL)S ) 过高，产生的热量将损坏半导体结构。

　　图 4：单个雪崩事件之前、期间 (t AL ) 和之后MOSFET 的时序信号。 (图片来源：Nexperia)

　　根据 Nexperia 的实验室测试，LFPAK56D MOSFET 设计非常坚固，可以承受数十亿次雪崩事件而不会损坏。考虑到最大雪崩能量，线圈驱动级可以省去额外的续流或钳位二极管，而仅使用这些 MOSFET 的雪崩操作。

　　电热在线模拟

　　为了提高系统效率，仅仅依靠简单的品质因数 (FOM)(例如 R DS x Q GD产品)是不够的。相反，设计人员需要进行更精确的损耗分析，考虑以下原因导致的 MOSFET 损耗：

　　接通电导率

　　接通和关断损耗

　　输出电容的充电和放电

　　体二极管的连续性和开关损耗

　　栅极电容的充电和放电

　　为了最大限度地减少总体损耗，设计人员必须了解 MOSFET 参数与工作环境之间的关系。为此，Nexperia 提供 MOSFET 的精密电热模型，该模型结合了电气性能和热性能，并代表了所有重要的 MOSFET 行为。开发人员可以使用PartQuest Explore在线模拟器或将 SPICE 和 VHDL-AMS 格式的模型导入到他们选择的模拟平台中。

　　截至撰写本文时，LFPAK56D MOSFET 仅提供电气模型。因此，以下热仿真示例涉及不同的 MOSFET 类型，即BUK7S1R0-40H。

　　交互式实验IAN50012 功率 MOSFET 电热模型模拟了 BUK7S1R0-40H MOSFET 在接通 36.25 A 负载电流后的三种加热场景。图 5 左侧显示了三个模拟设置。

　　图 5：所示为使用 PartQuest Explore 在线模拟器对 MOSFET 进行的电热模拟。 (图片来源：Nexperia)

　　在上面的“t j _no_self_heating”情况下，结和安装基座直接耦合到 0°C 的环境温度 (T amb )，没有热阻 (R th )。在中间情况“t j _self_heating”中，芯片通过 R th-j耦合，T j上升约 0.4°C。下图显示了通过带散热器的六层 FR4 板的R th_mb与环境温度耦合的安装底座 (mb)。 T mb(绿色)升至 3.9°C，T j(红色)升至 4.3°C。

　　结论

　　超低损耗 LFPAK56D MOSFET 在快速开关转换器或电机驱动器中提供出色的效率和功率密度。此处讨论的电路和热 PCB 设计注意事项以及电热仿真说明了设计人员如何克服稳健、高效和空间受限设计的挑战。