功率MOS体二极管参数分析

百科 2024-12-07 19:28 广东

体二极管的作用

MOS的体二极管能够让感性负载电流在MOS处于“关断”状态时绕开MOS。因此，它在同步整流和续流等许多应用中都是一个重要特性。在一个MOS关断和第二个MOS导通之间的“死区时间”内，体二极管会导通。虽然死区时间通常很短暂，但与这部分开关周期相关的损耗可能非常大。与体二极管导通阶段相关的能量损耗机制主要有两种。

因Vf引起的体二极管损耗

体二极管存在导通压降和电流，这部分会产生损耗可以表示为如下：基于该公式，为降低该损耗，可以降低开关频率或者采用dead time更小的MOS驱动芯片，或者外部并联肖特基二极管，减小VSD。

体二极管导通压降损耗

我们来比较因体二极管的正向压降Vf引起的损耗与理想4 mohm的 MOS在80 ns内产生的损耗。首先，考虑让20 A标称负载电流流经理想MOS，I^2*R功耗为20A*20A*4mohm=1.6W，因此80 ns内产生的总能耗为=1.6W*80ns=0.128 µJ。

现在，考虑让20 A负载电流流经Vf为1.2 V的典型体二极管。瞬时功耗为=1.2V*20A=24 W。如果死区时间为80 ns，则由于体二极管Vf引起的能耗为=24W*80ns=1.92 µJ。因此，当电流通过体二极管时，损耗比理想状态高=1.92/0.128=15倍。但是，将Vf降至1 V后，因体二极管Vf引起的能耗为每个开关周期=1V*20A*80ns=1.6 µJ，或者说只高出=1.6/0.128=12倍。

因Qrr引起的体二极管损耗

下管体二极管反向恢复时，上管还处在导通过程中，VDS维持在VIN，如下图所示：对应的反向恢复损耗可以表示为如下：

体二极管反向恢复损耗

体二极管反向恢复波形

为降低反向恢复损耗，可以选择低Qrr的体二极管，或者通过并联肖特基二极管的方式来减小（肖特基二极管反向恢复更快，造成的Qrr更小）。

并联肖特基二极管

当我们考虑理想的4 mohm高边MOS(Qrr为0 nC)时，I^2*R功耗为1.6W。因此，如果负载电流持续流动40 ns(Trr典型值)，则能耗为=1.6W*40ns=64 nJ。

然后，考虑Irr为20 A的三角波电流，同样持续Trr，则高边MOS因Qrr引起的额外功耗为= 20A*20A*4mohm* 40ns/2=32 nJ。因此，将Qrr降低50%可以使每个开关周期的能耗减少16 nJ，有助于最大限度地减少高边MOS的额外损耗。

Qrr的影响：

反向恢复电流(Irr)也与PCB的寄生电感相互作用，导致漏极-源极电压(VDS)出现尖峰。这些尖峰可以通过降低PCB的电感或选择Qrr较低的MOS来降低。

如果不加以处理漏源尖峰，则漏极引脚上的尖峰可以经由电容耦合到栅极引脚上，导致所谓的Cross talk。如果栅极扰动超过MOS的阈值电压，则发生交叉导通，且MOS可能在应该关闭时导通。如果高端MOS和低端MOS同时导通，电源会产生直通电流，有可能损坏MOS。

总的来说：选择低Qrr的MOS，峰值电流更低，尖峰持续时间更短，因而振铃/谐振减少，这有利于减少EMI、避免Cross talk风险，同时为设计工程师提供了缩短死区时间的选项，可进一步提高效率。

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