设计电源电子电路时如何去选择最佳的低损耗器件？

　　功率器件性能的大幅提升为高频紧凑型开关电源设计提供了基础。超结 MOSFET 或 GaN FET 等新兴器件有可能在短时间内取代硅基 MOSFET 或 IGBT 等传统器件。部分应用上述创新器件且高达数百 kHz 甚至 1 MHz 以上的高频开关电源现已上市。
　　高频运行可以缩减磁元件尺寸，帮助降低电源电路成本，进而精简电路设计。但是，高频开关将增加功率器件的损耗。功率半导体器件是导致开关电源功率损耗的主要原因。因此，设计电源电子电路时选择最佳的低损耗器件十分重要。
　　
　　图 1. 功率器件损耗是总电路功率损耗的主要组成
　　选择最佳功率器件需要的测试
　　为电源电子电路选择正确的功率器件需要广泛的参数测试，例如阻断电压、泄漏电流和热特征都是重要的可靠性参数，饱和电压、阈值电压、跨导和峰值电流都是重要的运行参数。最大限度地降低功率损耗是设计高效电源电子电路的关键。
　　功率器件损耗主要分为三类： 驱动功率器件产生的驱动损耗，器件接通或断开时产生的开关损耗以及器件接通条件下产生的传导损耗 （图 1）。开关频率低于 10 kHz 时，功率器件损耗主要来自传导损耗。随着开关频率升高，驱动损耗和开关损耗将成为主要损耗（图 2）。所有类型的功率损耗都可以通过器件固有参数算出。例如，栅极电荷 （Qg） 可以用于计算驱动损耗，通过栅电阻 （Rg） 和器件寄生电容 （或栅极电荷特征） 能够计算开关损耗，传导损耗可以借助导通电阻 （Ron） 算出。因此，能够表征这些参数的测试设备是测量功率损耗的必要工具。器件寄生电容分为输入电容 （Ciss）、输出电容 （Coss） 和反向传输电容 （Crss）。
　　设计高效电源电子电路的第一步是选择能够平衡导通电阻和器件寄生电容的功率器件。栅极电荷是完全启动功率器件需要的电荷总量，也可以视为描述器件输入电容非线性特征的参数 （Ciss = Cgs + Cgd）。导通电阻和器件寄生电容是造成高开关频率功率器件低 FOM （品质因数） 的重要原因，因为 FOM 是 Qg 和 Ron 的乘积。
　　
　　图 2. 驱动损耗和开关损耗持续增加
　　什么叫栅极电荷？
　　栅极电荷是启动功率器件所需的电荷总量。换言之，栅极电荷也可以表示为器件转换为导通状态时电流进入选通端接的时间积分，此时驱动损耗等于栅极电荷、栅电压和频率的乘积。
　　
　　图 3. 栅极电荷产生的驱动损耗
　　如图 4 所示，栅极电荷特征表现为由三个不同斜率线段构成的连续曲线。
　　
　　图 4. 栅极电荷曲线的理论认识
　　如果栅电流 （Ig） 恒定，栅极电荷为 Ig 和时间 （t） 的乘积。此时，采样测量栅电压 （Vgs） 可以得到 Qg 曲线。Qg 曲线的第一个线段显示 Vgs 升高，其中器件断开，Ciss_off 由 Ig 充电： 表达式为 Vgs = （1/Ciss_off）*Qg。Cgs 通常远大于 Crss，因此近似表达式为 Vgs = （1/Cgs）*Qg。该阶段的栅极电荷称为 Qgs。Vgs 高于阈值电压 （Vth） 时，漏极 （或集电极） 电流开始流动。该阶段 Vgs 持续升高，直到漏极电流达到 Id-Vgs 特征的额定电流。第二个水平线段中，器件从接通转换为完全启动状态，所有 Ig 电流进入 Crss，因此 Vgs 不变。
　　图 5 显示的是晶体管电容特征，图 5（d） 显示了 Crss 与电压的相关性。Crss 变化可以分为两个不同的阶段：
　　当 Vds》 Vgs 时，Crss 随 Vds 下降的而上升。Qgd1* 电荷增量为：
　　
　　Qgd1 称为镜像电荷。
　　Vgs》 Vgd 时，器件启动形成栅极通道，Crss 显著上升。Qgd2 电荷增量为：
　　
　　Ciss_on 值可以通过图 5（c） 所示的 Vgs – Ciss 特征得出。该阶段的电荷称为 Qgd。Qgd 值取决于 Crss 断开状态和接通状态的漏极 （或集电极） 电压。
　　Qgd=Qgd1+Qgd2 （方程式 3）
　　Qgd 值影响器件的开关性能。
　　
　　图 5. Crss-Vdg 非线性特征可以推导 Qg 特性
　　最后阶段，器件完全启动，Ciss_on 恢复充电。 Vgs 表示为 Vgs = （1/Ciss_on）*Qg。
　　驱动电路的设计要点
　　电路设计人员可以借助栅极电荷特性设计栅极驱动电路并计算驱动损耗。综合考虑器件性能、离散和器件意外接通以设定驱动电压，然后工程师能够根据 Qg 曲线读取总电荷。例如，假设图 6 中 Qg 曲线为 Vds=600 V 且 Id=100 A，如果栅极驱动由 0 升至 15 V，Qg 读数为 500 nC，开关频率是 20 kHz，则驱动损耗为 0.15 W： ［P （驱动损耗） = f * Qg * Vg = 20 k * 500 n * 15］。此外，如果预期上升时间为 100 ns，则至少需要 5 A ［500 nC/100 ns］ 的驱动电流。驱动电流不足会降低开关速度，增加开关损耗。因此最大限度地提升驱动电流是设计驱动电路的重要要求。
　　通常建议从负值开始驱动 IGBT 栅电压，以避免意外接通。Qg 总值应当是负电压和正电压区域的 Qg 值总和。例如，图 6 中栅电压在 15 V 至 +15 V 范围内波动，Qg 增加 400 nC，产生 0.27 W 的总驱动损耗： ［P （驱动损耗） = 20 k * （400 n + 500 n） * 15］。
　　
　　图 6. 从 Vgs 负值开始的 Qg 特征
　　结合 Qg 曲线和器件输出电压特征可以深入分析并优化开关模式功率器件。
　　开关时间与栅极电荷的关系
　　根据栅极电荷特性一阶瞬态响应计算开关时间通常需要使用栅极串联电阻 （Rs） 和输入电容 （Ciss）。串联电阻是器件栅电阻 （Rg） 与栅极外接电阻的和。
　　在指定时间 t，栅极驱动电压 VGS 可以表示栅电压 Vgs，如下所示：
　　Vgs（t）=VGS{1-e^（-t/（Ciss*Rs））） } （方程式 4）
　　所以，t 可表示为：
　　t=（Ciss*Rs）*ln {VGS/（VGS-Vgs）} （方程式 5）
　　时间常量表达式为：
　　63.2% VGS 时， T= （Ciss*Rs） （方程式 6）
　　将 Qg = Ciss * Vgs 代入方程式 （5） 得出：
　　t=（Qg/Vgs）*Rs*ln {VGS/（VGS-Vgs）} （方程式 7）
　　应用方程式 （7） 计算 t1 和 t2 差值，方程式如下所示：
　　t2-t1=（（Qg2-Qg1）/（Vg2-Vg1））*Rs*ln {（VGS-Vg1）/（VGS-Vg2）}（方程式 8）
　　通过代入栅电压、漏极电压和漏极电流与 Qg 的相应数据可以计算器件技术资料包含的 Td （通）、Tr、Tf 和 Td （断）。了解不同开关时间参数的定义请参阅器件制造商提供的应用指南。
　　– 接通时延 Td （通）： 从 10% VGS 到 90% VDS
　　td （通） = （（Qg2-Qg1）/（Vg2-Vg1））*Rs*ln {（VGS-Vg1）/（VGS-Vg2） （方程式 9）
　　– 上升时间 Tr： 从 90% VDS 到 10% VDS
　　tr = （（Qg3-Qg2）/（Vg3-Vg2））*Rs*ln {（VGS-Vg2）/（VGS-Vg3） （方程式 10）
　　– 断开时延 Td （断）： 从 90% VGS 到 90% VDS
　　td （断） = （（Qg6-Qg5）/（Vg6-Vg5））*Rs*ln {Vg6/Vg5 （方程式 11）
　　– 下降时间 Tf： 从 10% VD 到 90% VDS
　　tf = （（Qg7-Qg6）/（Vg7-Vg6））*Rs*ln {Vg7/Vg6} （方程式 12）
　　
　　图 7. 通过 Qg 特性计算开关时间
　　开关损耗和栅极电荷的关系
　　开关电荷 （Qsw） 指漏极电压和漏极电流交叉时的总电荷，与方程式 （1） 的镜像电荷（Qgd1） 基本相当。直流-直流转换器设计包含应用 Qsw 计算开关损耗的成熟方法。
　　Qsw 是栅电流 （ig） 和开关时间 （Tsw（通） 或 Tsw （断）） 的乘积，用于计算器件接通和断开的开关损耗。纯电阻负载条件下，Id 和 Vds 在中点交叉；感应负载条件下，电流和电压相位不同，损耗系数改变 （请参见图 8）。
　　Tsw （通） = Qsw/ig=Rs*Qsw/（VGS-Vgp） （方程式 13）
　　Tsw （断） = Qsw/ig=Rs*Qsw/Vgp （方程式 14）
　　Psw （感应） = （1/2）*VDS*ID*（Tsw（on）+Tsw（off））*f （方程式 15）
　　Psw （电阻） = （1/4）*VDS*ID*（Tsw（on）+Tsw（off））*f （方程式 16）
　　
　　图 8. 开关损耗
　　栅极电荷测量挑战
　　器件技术资料通常提供用于测量 Qg 曲线的测试电路。图 9（a） 是配有恒流源的电路，图 9（b） 是电阻负载电路，图 9（c） 是感应负载电路。由于电流受电压限制，图 9（c） 电路很难准确测量第一条斜线与第二条斜线之间的转折点。
　　
　　图 9. 栅极电荷测量电路
　　三个电路似乎都十分简单，但设计 Qg 测试环境异常困难，原因包括以下两点：
　　1. 稳定的电源， 以提供精确的时间相关输出电压和电流
　　2. 栅极驱动电路， 以精确测量时间相关电流和电压
　　稳定的大功率电源是测量 Qg 的必要仪器。例如，以 600 V 电压供应 120 kW 功率需要 200 A 的电流。设计此类稳定的大功率电源难度极大。Qg 测量仅需脉冲功率以捕获开关瞬态响应。因此，大电容器的放电电流可以满足电流源要求。但是，此类系统的安全性无法保障。
　　精确测量 Qg 需要恒流源栅极驱动电路。Qg 是恒定电流和时间的乘积，采样随时间变化的 Vgs 即可轻松获得 Qg 曲线。栅极驱动电压源的斜率需精确控制，否则器件开关速度可能过快，瞬态特征测量难度大幅增加。
　　许多器件制造商构建了专用动态测试系统来测量 Qg，但是高昂的成本和庞杂的系统设置使得该系统并不适合电路设计人员。安捷伦新开发的台式仪器支持您在办公环境中轻松且快速地测量 Qg。
　　创新的栅极电荷测试方法
　　是德科技开发了创新的完整栅极电荷曲线推导方法 （图 10 Qg 曲线 3）。该复合曲线源于另外两条不同的 Qg 曲线。第一条曲线 （Qg 曲线 1） 使用了大电流低电压测试仪器，第二条曲线 （Qg 曲线 2） 应用了高电压小电流测试仪器。
　　
　　图 10. 全新的 Qg 测量方法
　　大电流低电压测试仪器可以绘制器件接通时的 Qg 曲线，高电压小电流测试仪器提供的 Qg 曲线能够显示器件与 Crss 的关联。该方法无需大功率电源，能够解决最棘手的高电压和大电流器件测量问题。
　　是德科技开发的测试系统配有恒流源栅极驱动，结合具有电压与电流同步采样功能的大电流低电压和高电压小电流漏极 （集电极） 电源，可以实现全面的栅极电荷测量以及开关时间与损耗计算。
　　表 1 是基于 Ron/Qg/Rg/Crss 特征测量的 IGBT 和超结 MOSFET 表征实例。类似测量条件下，开关频率超过 20 kHz 频率时，超结 MOSFET 的开关损耗低于 IGBT。
　　
　　图 11. IGBT 和超结 MOS FET 的栅极电荷特征
　　创新的栅极电荷测试方法
　　表 1. IGBT/MOS 开关损耗对比表
　　
　　应用 电路设计功率器件分析仪 评测器件
　　B1506A 电路设计功率器件分析仪是业界首款支持高达 1500 A/3 kV 栅极电荷曲线测量的台式仪器。分析仪采用创新方法，借助精确的栅极驱动和灵敏的电流控制，并结合大电流/低电压源/采样与高电压/小电流源/采样功能，能够生成 1 nC 到 100 μC 范围的完整栅极电荷曲线。
　　表 2. 电路设计功率器件分析仪 的栅极电荷曲线测量范围
　　
　　除 IV 特征之外，B1506A 支持 Rg、Ciss、Crss、Coss、Cgs、Cds 等器件寄生参数测量，能够提供功率器件双重验证。此外，分析仪可以应用栅极电荷曲线和其他测得参数计算开关时间 （td、tr、tf） 和功率损耗 （驱动损耗、开关损耗和传导损耗），能够测量 -50 °C 至 +250 °C 范围的器件温度相关特征。