圖1升壓轉換器中的MOSFET的典型關(guān)斷瞬態(tài)波形

當驅動(dòng)器發(fā)出關(guān)斷信號后，即開(kāi)始階段1 [t=t1]操作，柵極與源極之間的MOSFET電容器Cgs將開(kāi)始放電。此時(shí)，MOSFET阻斷特性保持不變。這個(gè)t1階段被稱(chēng)為延時(shí)，它表征著(zhù)MOSFET的響應時(shí)間。當MOSFET柵源電壓Vgs達到柵極平臺電壓Vgs（Miller）時(shí)，這個(gè)階段便告結束。
當Vgs與Vgs（Miller）相等之后，將進(jìn)入階段2 [t=t2]，在此期間，其電壓水平將保持不變。負載電流將對漏極與源極之間的MOSFET電容器Cds進(jìn)行充電，以重建空間電荷區。這個(gè)階段將一直持續至MOSFET漏源電壓Vds達到電路輸出電壓時(shí)為止。
階段3 [t=t3]，Cgs將繼續放電。漏電流Id和Vgs開(kāi)始線(xiàn)性下降，阻斷MOSFET導通通道。當Vgs與柵極閾值電壓Vgs（th）相等，并且Id變?yōu)榱銜r(shí)，這個(gè)階段即結束。這個(gè)階段結束后，MOSFET將完全關(guān)斷。
階段4 [t=t4]，柵極驅動(dòng)對Cgs持續放電，直至Vgs電壓水平變?yōu)榱恪?br> B.傳統的TO247封裝MOSFET的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)特性分析
利用升壓轉換器，評估了封裝寄生電感對MOSFET開(kāi)關(guān)特性的影響。圖2所示為傳統的TO247 MOSFET等效模型的詳情，以及升壓轉換器電路和寄生電感的詳情。對于MOSFET模型，3個(gè)電容為硅結構，分別位于各個(gè)連接引腳之間：柵漏電容Cgd、漏源電容Cds和柵源電容Cgs.鍵合絲產(chǎn)生了MOSFET寄生電感：柵極寄生電感Lg1、漏極寄生電感Ld1和源極寄生電感Ls1.這個(gè)模型也包含了電路板電路布局產(chǎn)生的雜散電感：Ld2、Ld3、Lg2和Ls2.分析中，LS等于Ls1+Ls2，Lg等于Lg1+Lg2，RG等于Int.Rg+Ext.Rg.

圖2.升壓轉換器中的TO247封裝MOSFET等效模型和寄生電感

參照小節A中討論的關(guān)斷瞬態(tài)順序，源極電感LS主要在瞬態(tài)階段3影響到MOSFET開(kāi)關(guān)特性。柵極驅動(dòng)路徑顯示為紅色，漏電流在藍色環(huán)路上流動(dòng)�？焖匐娏魉矐B(tài)過(guò)程中，LS引發(fā)電壓降VLs，這能抵消會(huì )降低驅動(dòng)能力和減慢器件速度的柵極電壓。
通過(guò)在驅動(dòng)環(huán)路上運用基爾霍夫電壓定律，柵源電壓Vgs（t）可以表示為：



從等式（2）和（3）可知，源極電感可以減慢開(kāi)關(guān)瞬態(tài)，加劇開(kāi)關(guān)過(guò)程中的有關(guān)能耗。在傳統的TO247 MOSFET配置中，電路源極電感是MOSFET封裝源電感Ls1與電路板布局源極電感Ls2之和。始終必須最大限度地降低封裝源和電路板寄生的源極電感，因為二者均為關(guān)鍵控制要素。較之采用通孔封裝的MOSFET，通過(guò)將無(wú)引線(xiàn)SMD封裝用于MOSFET，可以最大限度地降低封裝中的寄生源電感。因此，采用SMD封裝的MOSFET也能實(shí)現快速開(kāi)關(guān)，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)損耗。適用于4引腳器件的SMD封裝名為“ThinkPAK 8X8”。

III.分析升壓轉換器中采用最新推出的TO247 4引腳封裝的MOSFET
英飛凌已經(jīng)在CoolMOS系列器件中推出新的封裝概念“4引線(xiàn)封裝”，其中，通孔封裝名為“TO-247 4PIN”。如圖3中的虛線(xiàn)框內所示，最新推出的TO-247 4引腳模型提供了一個(gè)額外的源極連接引腳。在內部連接中，引腳分離始于芯片內部，充當開(kāi)爾文源。電源引腳“S”為電源接地提供了連接。開(kāi)爾文源引腳，源-感側引腳“SS”直接連接至驅動(dòng)器地線(xiàn)，以便將驅動(dòng)電流與電源電流路徑分離。
由于源極分離，瞬態(tài)過(guò)程中源極電感對柵極驅動(dòng)電路的影響將被消除。參見(jiàn)圖3，驅動(dòng)環(huán)路顯示為紅色，漏極電流環(huán)路不再相互作用。源電感引起的壓降不再影響柵源電壓Vgs（t）。如第二節中所討論，階段3時(shí)的柵源電壓Vgs（t）為

其中，LG等于Lg1+Lg2+Lss.

圖3.升壓轉換器中的TO247 4引腳封裝MOSFET等效模型

對應的時(shí)間段t3和漏極電流變化速率dId/dt可表示為：

從等式（5）和（6）可知，影響MOSFET電流速率的源極引腳電感被消除了。根據等式（2）和（5），較之TO247封裝MOSFET，這縮短了器件的開(kāi)關(guān)速度，降低了開(kāi)關(guān)損耗。最新推出的TO247 4引腳MOSFET可實(shí)現相對較快的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。

IV.實(shí)驗驗證
A.實(shí)驗測試波形
將升壓PFC轉換器用作測量平臺，進(jìn)行評估。傳統的TO247封裝MOSFET和最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET將被用作平臺主用開(kāi)關(guān)器件，以驗證最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET優(yōu)于傳統的TO247封裝的開(kāi)關(guān)性能和柵極控制能力。
圖4所示為傳統的TO247封裝（上）和最新推出的TO247 4引腳封裝（下）的硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷波形對比。根據測得波形，從Vds（t）（藍色波形）到Id（t）（黃色波形）的TO247 4引腳封裝MOSFET的穿過(guò)時(shí)間，比最新推出的TO247封裝MOSFET縮短了約40%.Vds與ID的重疊越少，意味著(zhù)開(kāi)關(guān)損耗越低。較之于傳統的TO247封裝，最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET的振蕩幅度Vgs （t）（紫色波形）也降低了30%.因此，最新推出的TO247 4引腳封裝提供了更加可靠的開(kāi)關(guān)控制。

圖4. TO247封裝MOSFET（上）和TO247 4引腳封裝MOSFET（下）的MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)波形。試驗條件：Ext. Rg=5Ω，12 V柵極驅動(dòng)電壓、試驗器件IPZ65R019C7

最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET切換時(shí)間，比傳統的TO247封裝短。得益于開(kāi)關(guān)損耗降低，最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET實(shí)現了更高效率，如圖5所示。在輸入電壓為110 Vac的滿(mǎn)負荷試驗條件下，相比于傳統的TO247封裝的試驗結果，最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET的效率提高了0.2%.在高電壓情況下，即當輸入電壓為220 Vac時(shí)，也實(shí)現了與之一致的效率提升。

圖5.在110 Vac輸入電壓條件下，TO247 4引腳封裝MOSFET與TO247封裝MOSFET的PFC效率對比。測試條件：Ext. Rg=5Ω，開(kāi)關(guān)頻率=100 kHz，測試器件：具備相同硅芯片的IPW65R019C7（TO247）和IPZ65R019C7（TO247 4引腳）

V.結語(yǔ)
本文分析了快速開(kāi)關(guān)MOSFET封裝寄生電感對開(kāi)關(guān)性能的影響。封裝源電感是決定切換時(shí)間的關(guān)鍵參數，后者與開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)可控性密切相關(guān)。英飛凌最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET能最大限度地減少傳統的TO247封裝寄生電感造成的不利影響，實(shí)現更高系統效率。