MOS管在液冷IBC中的驅(qū)動(dòng)環(huán)路優(yōu)化與振鈴抑制

文章出處：平尚科技責(zé)任編輯：平尚科技發(fā)表時(shí)間：2025-12-17

　　在液冷AI服務(wù)器高效、高功率密度的供電架構(gòu)中，隔離式降壓變換器（IBC）因其能夠安全、高效地處理48V至12V/5V等低壓的轉(zhuǎn)換，成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而IBC的核心開關(guān)器件——MOS管的驅(qū)動(dòng)性能，直接決定了整個(gè)電源模塊的效率、電磁兼容性（EMC）與可靠性。在緊湊且散熱路徑獨(dú)特的液冷環(huán)境下，其驅(qū)動(dòng)環(huán)路的設(shè)計(jì)與封裝選擇，需要應(yīng)對(duì)比傳統(tǒng)風(fēng)冷更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，尤其是抑制由寄生參數(shù)引發(fā)的開關(guān)振鈴。

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MOS管

振鈴的根源：封裝與布局的寄生參數(shù)
MOS管在高速開關(guān)時(shí)（尤其在IBC常用的數(shù)百kHz頻率下），其開關(guān)波形上出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)象，主要源于驅(qū)動(dòng)環(huán)路中不可避免的寄生電感和電容。這些寄生參數(shù)構(gòu)成了一個(gè)LC諧振電路。其中，關(guān)鍵的寄生電感包括MOS管封裝內(nèi)部的源極引線電感、PCB上柵極驅(qū)動(dòng)走線的回路電感；關(guān)鍵的寄生電容則是MOS管本身的柵極電荷相關(guān)電容（Ciss, Coss, Crss）和米勒電容（Cgd）。

振鈴效應(yīng)

振鈴的危害是多重的。過高的電壓尖峰可能超過MOS管的額定電壓，威脅其安全；高頻振蕩會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，干擾鄰近的敏感電路；額外的開關(guān)損耗也會(huì)降低效率，并在液冷環(huán)境中轉(zhuǎn)化為不必要的熱源。因此，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)環(huán)路的核心，就是最小化這些寄生參數(shù)的影響，并對(duì)其進(jìn)行阻尼控制。

封裝革新：從引線框架到銅夾連接
傳統(tǒng)封裝（如TO-220、D2PAK）因其較長的引線，會(huì)引入數(shù)納亨的寄生電感。在液冷IBC追求極致功率密度和開關(guān)速度的背景下，這已成為一個(gè)瓶頸。為此，采用先進(jìn)封裝形式的MOS管成為必然選擇。

MOS管芯片

以平尚科技在工業(yè)級(jí)應(yīng)用中推薦的DFN（雙邊扁平無引線）和QFN（四邊扁平無引線）封裝為例，它們通過將MOS管芯片直接貼裝在銅質(zhì)引線框架上，并用裸露的大面積金屬焊盤作為散熱和電氣連接面。這種結(jié)構(gòu)徹底消除了傳統(tǒng)的鍵合線，將關(guān)鍵的通路電感（特別是源極回路電感Ls）降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可能從傳統(tǒng)封裝的5-10nH降至1nH以下。更低的源極電感意味著由Ls與柵極漏極電容Cgd形成的反饋路徑被削弱，這能直接、有效地抑制開關(guān)過程中的電壓過沖和振鈴幅度。

驅(qū)動(dòng)環(huán)路優(yōu)化：精準(zhǔn)的柵極控制與布局藝術(shù)
低寄生封裝的MOS管為高速開關(guān)奠定了基礎(chǔ)，但要發(fā)揮其全部潛力，并進(jìn)一步抑制殘留振鈴，還需要精心優(yōu)化外部的驅(qū)動(dòng)環(huán)路。

首先，是柵極電阻的精準(zhǔn)配置。在驅(qū)動(dòng)芯片輸出與MOS管柵極之間串聯(lián)一個(gè)電阻（Rg），是阻尼振鈴最經(jīng)典有效的方法。但這個(gè)電阻的取值需要在開關(guān)速度（損耗）與振鈴抑制（EMI）之間取得平衡。通過仿真與實(shí)際調(diào)試，為特定的MOS管和PCB布局找到一個(gè)最優(yōu)的Rg值（通常在2-10歐姆范圍），可以顯著平滑開關(guān)波形。

MOS管柵極

其次，是驅(qū)動(dòng)電流能力的匹配與回路最小化。一個(gè)具備足夠峰值電流（如2A-4A）的專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，能夠快速對(duì)MOS管的柵極電容進(jìn)行充放電，縮短開關(guān)過渡時(shí)間，減少其停留在高損耗線性區(qū)的時(shí)間。同時(shí)，PCB布局必須遵循“驅(qū)動(dòng)回路面積最小化”原則。這意味著驅(qū)動(dòng)芯片、柵極電阻、MOS管柵極/源極引腳應(yīng)盡可能緊湊地布局在同一層面，并使用短而寬的走線或平面連接，將驅(qū)動(dòng)電流環(huán)路的寄生電感降至最低。良好的布局可將環(huán)路電感控制在5nH以內(nèi)，配合低感封裝，是實(shí)現(xiàn)干凈開關(guān)波形的硬件保障。

在液冷IBC中，這種優(yōu)化帶來的收益是倍增的。更低的開關(guān)損耗和振鈴意味著MOS管自身的發(fā)熱更少，其熱量能更高效地通過底部焊盤傳導(dǎo)至PCB和液冷冷板，使得散熱設(shè)計(jì)更具余量。更潔凈的EMI特性則降低了對(duì)液冷系統(tǒng)中其他敏感傳感器和通信線路的干擾風(fēng)險(xiǎn)。平尚科技通過將低寄生電感封裝的MOS管與經(jīng)過嚴(yán)格仿真和測試驗(yàn)證的驅(qū)動(dòng)布局方案相結(jié)合，為國內(nèi)液冷AI服務(wù)器電源設(shè)計(jì)提供了一套可落地、高性能的解決方案，實(shí)測中能將開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓尖峰有效抑制在直流母線電壓的15%以內(nèi)，助力電源模塊在嚴(yán)苛環(huán)境下穩(wěn)定高效運(yùn)行。

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