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600V CoolMOS P6 –「多用途」装置的新基准
 

【作者: Alois Steiner】2013年12月16日 星期一

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目前 PFC 阶段和 DC/DC 阶段对电源供应的效率需求越来越高,尤其是在轻负载运作下。为满足这些需求,工程师合乎逻辑的选择就是使用闸极电荷较低的 MOSFET,以减少驱动损耗。在整个负载范围内,低闸极电荷能让开通及关断实现快速的开关切换。但是,这种选择也存在部分缺点。由于闸极振荡的关系,因此工程师必须选用较高的 RG,ext 降低开关速度,或是使用铁氧磁珠来抑制这些振荡。


但是这两种方式都要花费很长的工程设计时间,还会增加设计成本。因此工程师必须找出既有很高的效率,又不用花太多时间重新设计,就能轻松融入系统设计的功率 MOSFET。第二项特点通常称为「易用性」。工程师不只要解决这些挑战,还必须试着降低物料列表成本。其中一个方式,就是在 PFC 和 DC/DC 阶段选择相同的 MOSFET;除了高效率及「易用性」这两项需求之外,DC/DC 阶段的硬式整流还需要有耐用的本体二极管。


CoolMOS P6 是 600V CoolMOS 系列最新的装置,专为满足所有这些应用需求所设计,一次全部解决高效率、「易用性」程度,以及 PFC 阶段和 DC/DC 阶段的多重用途等问题,可节省设计的时间及成本。


1.1 @大標:目标应用


新的 CoolMOS P6 系针对典型的 AC/DC SMPS 功率架构的各种应用而设计。


P6 技术适用于硬式切换的 PFC 阶段,及软式切换的 DC/DC 转换阶段。600V P6 包含下列的目标应用:



表一 : 目标应用及拓朴
表一 : 目标应用及拓朴

以下的技术参数为判断 P6 技术在此类应用中之效率的关键因素。


1. @中標:降低闸极电荷 (Qg)


CoolMOS P6 最重要的改善之一就是降低装置的闸极电荷,减少闸极电荷 Qg可带来多项好处,尤其是在低负载条件下的驱动耗损。相较于 CoolMOS E6,P6 可减少 30% 的 Qg,其主要来自于平台状态电荷的减少,还可实现快速的开关切换。



图一
图一

2. @中標:整合式闸极电阻 (RG)


为了平衡快速的开关切换以达到最高效率,同时为了不要牺牲「易用性」和良好的操控性,CoolMOS P6 整合了较小的整合式闸极电阻 RG。这个体积小巧的整合式 RG 可在正常工作电流条件下实现快速的开通和关断,在异常条件下也能限制 di/dt 及 dv/dt。


3. @中標:高闸极阈值电压 (Vth)


在 LLC 和 ZVS 这类的谐振拓朴中,虽然能够消除开通耗损,但关断耗损仍然在总耗损中占了很大的比例。高闸极阈值电压 (Vth) 可以提前关闭 MOSFET,进而提高效率。


英飞凌先前的 CP 和 E6 技术都将 Vth 的典型?定为 3V。根据此一特性我们可发现,采用 P6 技术会将 Vth 提高到 4V 的典型?。从切换速度可看出,P6 的开关斜率明显高于 E6,而且很接近 CP,不只减少开关耗损,更提高功率转换的效率。


4. @中標:dv/dt 额定?增加至 100V/ns


SJ-MOSFET 的 MOSFET dv/dt 典型额定?为 50V/ns。工程师受到此数据表参数的限制,只能透过低 RG,ext 强制进行快速切换,实现高效率的应用。由于 P6 的 Qg 较低,且电容量较少,加上有 12 年的制造经验,P6 技术已能将 dv/dt 从 50V/ns 额定?提高到 100V/ns。


图 1 显示 E6、P6 和 CP 在最大电阻 RDS(on) 190 m? 范围内 dv/dt 测量值的比较。CP 的 dv/dt 最大值为 50V/ns,斜率较高。相较于 CP,P6 技术的 dv/dt 更为平稳,且控制程度也获得提升。即使在最小的 RG, ext 下,P6 的 dv/dt 仍低于 50V/ns。


P6 技术是一项非常稳定耐用的技术,可承受超过 50V/ns,而不会发生特性上的变化。改善 dv/dt 之后,可以减少外部 RG,进而提高效率。


「易用性」,P6 闸极振荡

图 2 显示 IPP60R190P6 在 PFC 中的典型开关切换波形。该测试电路配置了一个额外的 7.2pF 外部闸极电容,仿真闸极和漏极与 PCB 之间耦合的寄生电容。设计人员在布线时应特别注意,尽量减少此类的寄生电容,才能确保 MOSFET 的最高效能。在此一测量中,190m? 装置采用 5? 的外部 RG


切换波形采用 VDS=400V (显示为绿色) 和 VGS=13V (显示为深红色) 进行测量。显示为黄色的电流波形在每次脉冲时都会增加,直到饱和为止,其表现为峰值电流为 75A 时 VDS 的偏移。P6 具备优化的 RG,可呈现出良好的切换波形,而不会影响 VGS 规格限制。



图二 : 切换波形
图二 : 切换波形

@中导通本体二极管的硬式整流


软切换应用需要对导通本体二极管进行硬式整流,而且需要在本体二极管的高整流耐用性和快速切换特性之间求取平衡。快速切换装置所有的属性 (高 di/dt、低 Qg、低 RG) 可使导通本体二极管在硬整流期间产生较高的电压峰值。图 3 显示在 10μs 本体二极管导通时间过后硬整流的电压峰值 (正常操作条件下,本体二极管的导通时间不会超过 400ns)。



图三 : 600V P6、E6 和 CP 之间的导通本体二极管硬式整流比较
图三 : 600V P6、E6 和 CP 之间的导通本体二极管硬式整流比较

图 3 显示整流中 dIrr/dt 较高而导致 VDSmax 过冲。测试装置与开关装置的 RG,ext 相同为 10?。VDSmax 过冲将受到布线的寄生分量、外部 RG 和开关的切换速度影响。相较于 CP,P6 的整流行为较佳。


测量结果

本小节显示实际应用中的测量结果,展示 CoolMOS P6 在硬切换和软切换应用中的优点。


CCM PFC 中 300W PC Silverbox 的效率测量


此测量在 190m? RDS(on) 范围内将 600V P6、E6 和 CP 进行比较。


设定参数:


‧ Vin=90VAC


‧ Vout=400VDC


‧ Pout=0W 至 300W


‧ 频率=65kHz


‧ RG,ext=10?,采即插即用方式,对 600V P6、E6 和 CP 等装置进行比较



图四 : 600V P6、E6 和 CP 在绝对效率 (上) 和相对效率 (下) 的比较
图四 : 600V P6、E6 和 CP 在绝对效率 (上) 和相对效率 (下) 的比较

这种即插即用的测量方式,显示 CoolMOS P6 相较于 CoolMOS E6 和 CoolMOS CP 的优点。在 300W 连续导通模式 (CCM) 下的 PC Silverbox,输出功率达到 70W 以上时以 CCM 运作,否则以 DCM 运作。即使在轻负载条件非同等对比的情况下,P6 的效率仍有小幅上升。当输出功率超过 70W 时,以 CCM 运作,相较于 E6,在满负载条件下 P6 的效率可提高 0.2% 至 0.3%。由于 Qg 降低和相对较高的 Vth,因此效率得以提高。


1.2 @大標:LLC 阶段中 200W PC Silverbox 的效率测量


@内文此测量在 280m? RDS(on) 范围内将 600V P6、E6 和 CP 进行比较。


设定参数:


‧ @內標:PC Silverbox LLC 阶段 200W


‧ Vin=90VAC


‧ Vout=400VDC


‧ Pout=0W 至 200W


‧ 频率=65kHz


‧ RG,ext,开通=27?


‧ RG,ext,关断=10?


‧ 采即插即用的方式对 600V P6、E6 和 CP 进行比较



图五 : 600V P6、E6 和 CP 在绝对效率 (上) 和相对效率 (下) 的比较
图五 : 600V P6、E6 和 CP 在绝对效率 (上) 和相对效率 (下) 的比较

在这个 LLC 测量中,相较于 E6,P6 在轻负载条件下的效率提升超过 0.8%。效率的提升同样是因为 Qg 相较于 E6 减少 30%。在满负载条件下,P6 和 E6 测得的效率结果相近,因为其 RDS(on) 等级相同,这在满负载条件下为重要参数。


使用 600V P6 的设计指南

关于如何使用 CoolMOS P6 以最佳的方式实现效能,以下小节提供部分相关指引。


1.3 大标:最小外部闸极电阻 (Rg,ext)


在设计良好的电源供应中,我们建议使用极低的外部电阻,开通时最小电阻为 5 奥姆,关段时电阻为 0 奥姆。由于采用 Rg,int 和非常稳定耐用的 CoolMOS P6 设计,因此可以使用这种高效的 Rg。不过,选择外部 Rg 始终取决于 PCB 寄生组件,这是因为来自 L stray *di/dt 的电压讯号和来自 C parasitics *du/dt 的电流讯号,这些寄生组件会在 MOSFET 上产生超乎预期的峰值电压或峰值电流。为避免此类峰值,建议减少寄生组件或提高 MOSFET 的 Rg,ext


1.4 @大標:600V P6 的并联


要并联 600V P6 时,一般建议在闸极上使用铁氧磁珠或分离的图腾柱。


结论

在目前的 MOSFET 市场上,大多数装置的易用性及可用效率各不相同。有些装置提供最简单的操控性,因此也具有最高的易用性,在效率方面仅有些许减损。有些装置则提供最高的效率,但由于切换速度较快,因此在设计时需要特别注意。CoolMOS P6 的推出解决了这类的问题:这些装置除了满足高效率的需求,同时也不牺牲易用性。透过良好的平衡技术,就能得到最佳易用性和效能的装置。


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