讨论在PFC中应用的新型超级结MOSFET器件的特点

作者：时间：2013-02-25 来源：网络收藏

　　超级结（Super-Junction） MOSFET器件基于电荷平衡技术，在减少导通电阻和寄生电容两方面提供了出色的性能，这通常需要折中权衡。有了较小的寄生电容，超级结 MOSFET具有极快的开关特性并因此减少了开关损耗。自然地，这种快速开关特性伴有极高的dv/dt和di/dt，会通过器件和印刷电路板中的寄生元件而影响开关性能。特别地，对于在现代高频SMPS中使用的超级结 MOSFET，很难抑制频率噪声和EMI辐射，同时实现高开关效率和低开关噪声。此外，开关噪声会导致某些意外的系统或器件失效，它们与栅氧化层击穿、dv/dt衰减和控制信号中的闩锁效应问题相关，因为在各种异常状况中，例如启动状态、过载状况和并联工作，会发生严重的栅极振荡和高开关dv/dt。为实现低开关噪声，需要使用高值寄生电容或栅电阻。根据最近的系统发展趋势，改进效率是一个关键目标；然而，只为降低开关噪声而使用慢速开关器件不是最佳解决方案。凭借SuperFET II MOSFET的优化设计，新一代超级结MOSFET SuperFET II器件实现了快速开关和低开关噪声，在应用中达到了高效率和低EMI。

SuperFET II MOSFET技术

　　众所周知，超级结MOSFET的高开关速度自然有利于减少开关损耗，但它也带来了负面影响，例如增加了EMI、栅极振荡、高峰值漏源电压。在栅极驱动设计中，一个关键的控制参数就是外部串联栅电阻（Rg）。这会抑制峰值漏-源电压，并防止由功率MOSFET的引线电感和寄生电容引起的栅极振铃。该器件还在导通和关闭过程期间降低电压上升速率（dv/dt）和电流上升速率（di/dt）。但Rg也会影响MOSFET的开关损耗。因为器件必须在目标应用上达到最高效率，控制这些损耗是重要的。因此从应用的观点出发，选择正确的Rg值是非常重要的。SuperFET II MOSFET使用了集成栅电阻，它不是等效串联电阻（equivalent series resistor，ESR），只是栅电阻，置于栅极焊盘中，以便减少栅极振荡和控制大电流条件下的开关dv/dt与di/dt。集成栅电阻数值采用栅电荷来优化。器件的真实栅极中，VGS的栅极振荡（Vb）显著减少了，因为栅-源端的电压降由内部Rg和外部Rg来分担。反向传输电容Cgd是影响开关期间的电压上升和下降时间的主要的参数之一。Cgd提供了来自漏电压的负反馈作用，它必须由通过Rg的栅极驱动电流来放电。振荡与几个原因有关，例如高的开关dv/dt和di/dt、寄生Cgd和漏极电流值。SuperFET II MOSFET的栅极电荷已优化，用于改进开关效率和开关噪声之间的折中权衡。图1显示了在关断瞬态期间，在相同驱动条件下，从100W至400W的PFC电路中，比较快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET之后，实际MOSFET的dv/dt。关断dv/dt呈线性上升，对于小的栅电阻（3.3Ω），快速超级结MOSFET显示了在PFC电路中dv/dt不受控制。相比快速超级结MOSFET，SuperFET II MOSFET减少了关断dv/dt的增加，但在300W负载条件下仍然呈线性增加。在满负载条件下，dv/dt可控制在36V/ns，相比快速超级结MOSFET ，dv/dt减少了约30.8%。

　　图1 在关断瞬态期间，PFC电路中快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET的dv/dt测量比较（VIN=100Vac， PO=400W， Rg=3.3Ω）

超级结MOSFET的寄生振荡机制

　　超级结MOSFET的Coss曲线是高度非线性的。当超级结MOSFET作为开关器件用于PFC或DC/DC转换器时，这些影响将会产生极快的dv/dt和di/dt以及电压和电流振荡。图2显示了观察到的PFC电路中的振荡波形，它们出现在超级结MOSFET关断瞬态期间。从一般的观点来看，有几种振荡电路会影响MOSFET的开关性能，包括内部和外部振荡电路。图3显示了简化的PFC电路原理图，包括内部寄生参数，这是由功率MOSFET本身的寄生电容Cgs、Cgd_int.和Cds 与寄生电感Lg1、Ld1和Ls1，以及外部振荡电路，由外部耦合电容Cgd_ext.和线路板布局的寄生电感LG、LD和LS带来。寄生元件更多地涉及到开关特性，因为开关速度变得更快。当MOSFET导通和关断时，会在谐振电路中产生栅极寄生振荡，该谐振电路由内部和外部栅-漏电容Cgd_int.和Cgd_ext.以及栅电感Lg1和LG组成。当MOSFET开关速度变快时，尤其在它关断时，由于寄生电感LD，MOSFET漏-源中的振荡电压会经过栅-漏电容Cgd，并形成了包含栅电感Lg1和LG的谐振电路。由于栅电阻极小，振荡电路Q （）变大，当谐振条件出现时，在那个地方和Cgd或LG、Lg1之间产生了大振荡电压，并引起了寄生振荡。此外，LS和Ls1两端的电压降可由公式（1）表示，它由关断瞬态期间的负漏极电流引起。杂散源极电感LS和Ls1两端的电压降在栅-源电压上产生了振荡。寄生振荡会引起严重的EMI问题、大的开关损耗、栅-源击穿、栅极失控，甚至导致MOSFET失效。

（1）

　　图2 使用超级结MOSFET ，PFC电路中的严重振荡波形

　　图3 PFC电路的简化原理图与功率MOSFET的内部和外部寄生现象

SuperFET II MOSFET的应用益处

　　实验结果证实，在PFC电路中SuperFET II MOSFET能够稳定运行并具有更好的EMI结果。测量在PFC升压电路中进行，在AC开/关测试期间，输入电压VIN=110VAC和输出功率水平Pout=300W相同。图4显示了启动时在栅极振荡VGS （黄线）中，快速超级结MOSFET和SuperFET II MOSFET之间的波形比较差异。对于快速超级结MOSFET，产生的高峰值栅极振荡超过45V。它会引起过电压闩锁（latch-up）效应，最后导致功率MOSFET的栅极信号缺失，如图4 （a）所示。使用如图4 （b）所示的SuperFET II MOSFET，峰值Vcc电压急剧下降到16V，并且消除了闩锁效应。如果输出功率水平增加或在相同的输出功率上输入电压降低，这种振荡效应会强制发生。在AC线路电压掉落后，该效应也会发生，当线路电压恢复时，升压级可为大电容充电至标称电压。在此期间，当MOSFET关断时，漏极电流是相当高的。漏极电流会转向MOSFET的输出电容Coss并为其充电至DC母线电压。电压斜率与负载电流成正比，且与输出电容值成反比。因为周围所有的寄生电容，高dv/dt值导致了电容性转移电流。连同所有的布局和寄生电感与电容，形成了LC振荡电路，仅由内部Rg来衰减。在某些条件下，例如在输入电压瞬态或短路情况下，会出现高di/dt和dv/dt，这会导致异常开关行为或最差的器件损坏情况。然而，采用优化的SuperFET II MOSFET，有助于改进效率并实现稳定工作。

　　（a）快速超级结MOSFET （b） SuperFET II MOSFET

　　图4 PFC电路中启动状态期间的波形比较

　　（VIN=110VAC， POUT=300W， VO=380V， 600V/190mΩ SJ MOSFET）

　　在400W ATX电源中验证了SuperFET II MOSFET的EMI性能。图5显示了用作PFC开关的快速超级结MOSFET和SuperFET II MOSFET的EMI噪声辐射测量结果。由于SuperFET II MOSFET的软开关特性，SuperFET II MOSFET可以减小峰值漏-源电压、峰值dv/dt和栅极振荡。通过使用SuperFET II MOSFET，在90MHz至160MHz的频率范围内，辐射水平（dBμV）变得更低。特别需要指出，相比快速超级结MOSFET， SuperFET II MOSFET在130MHz的辐射水平低于9～10dBμV，如图5（b）所示。