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高压功率MOSFET寄生电容的形成

2021-05-02 11:41 次阅读

1 超结结构的高压功率MOSFET

功率MOSFET的输出电容Coss会随着外加电压VDS的变化而变化,表现出非线性的特性,超结结构的高压功率MOSFET采用横向电场的电荷平衡技术,如图1所示。相对于传统的平面结构,超结结构将P型体区下沉,这样在其内部形成P柱,和N区非常宽的接触面产生宽的耗尽层,也就是空间电荷区,空间电荷区形成的电场,也就是横向电场,保证器件的耐压;同时,原来N区漂移层就可以提高掺杂浓度,降低导通电阻。和标准MOSFET相比,横向电场电荷平衡技术可以极大的减小硅片尺寸,得到更低的RDSON和更低的电容。

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(a) 平面结构

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(b) 超结结构

图1 平面结构和超结结构的高压功率MOSFET

2 超结结构的高压功率MOSFET寄生电容形成

超结结构的功率MOSFET在VDS电压上升、横向电场建立产生耗尽层(空间电荷区)过程中,N型漂移层两侧的空间电荷区边界会向中心移动,如图2所示,随着VDS电压的升高,两侧空间电荷区边界会接触碰到一起,然后向再下继续移动。在这个过程中,直接影响输出电容Coss和反向传输电容Crss的主要参数有:漏极和源极、栅极和漏极相对的面积、形状、厚度,以及相应的空间电荷区相对的距离。

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(a) VDS电压非常低

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(b) VDS增加到电容突变电压

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(c) VDS处于电容突变电压区

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(d) VDS达到最大值

图2 空间电荷区建立过程

VDS电压低时,P柱结构周边的空间电荷区厚度相对较小,而且空间电荷区沿着P柱的截面发生转折,相对的有效面积很大,如图2(a)所示,因此输出电容Coss和反向传输电容Crss的电容值非常大;VDS电压提高,空间电荷区沿着P柱的截面发生下移,当VDS电压提高到某一个区间,两侧的空间电荷区相互接触时,同时整体下移,电容的有效面积急剧降低, 同时空间电荷区厚度也急剧增加,因此Coss和Crss电容在这个VDS电压区间也随之发生相应的突变,产生非常强烈的非线性特性,如图2(b) 和(c)所示;VDS电压提高到更高的值,整个N区全部耗尽变为空间电荷区空间,此时电容的有效面积降低到非常、非常小的最低时,如图2(d)所示,输出电容Coss也降低到非常、非常小的最低值。

在低电压时,相对于柱结构和单元尺寸,空间电荷区厚度相对较小,P柱结构周边,空间电荷区发生转折,导致输出电容的有效面积变大。这2种因素导致在低压时,Coss的值较大。VDS电压升高时,如VDS=20 V,VDS=100 V,从图3空间电荷区电场分布仿真图可以看到,

空间电荷区的形状开始变化,首先沿着补偿的结构经过波浪形的,然后进入更低有效面积的水平电容,因此高压的输出电容降低到2个数量级以下。

Crss和Coss相似,电容曲线的突变正好发生在上面二种状态过渡的转变的过程。

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(a) 20 V空间电荷区电场分布

高压功率MOSFET寄生电容的形成

(b) 100 V空间电荷区电场分布

图3 空间电荷区电场分布

图4展示了平面和超结结构高压功率MOSFET的电容曲线,从图中的曲线可以的看到,当偏置电压VDS从0变化到高压时,输入电容Ciss没有很大的变化, Coss 和 Crss 在低压的时候非常大,在高压时变得非常小。在20~40 V的区间,产生急剧、非常大的变化。

高压功率MOSFET寄生电容的形成

图4 平面和超结结构高压功率MOSFET的电容

3 工艺对超结结构的高压功率MOSFET寄生电容影响

新一代超结技术进一步降低内部每个晶胞单元尺寸,对于同样的导通电阻,降低内部晶胞单元尺寸可以降低硅片的尺寸,从而进一步硅片的尺寸以及相关的寄生电容,器件就可以工作在更高频率,采用更小的封装尺寸,降低系统的成本。

内部的晶胞单元尺寸采用更小的尺寸,在更小的硅片面积实现以前的技术相同的或者更低的导通电阻,就必须要求漂移层N区电流路径的掺杂浓度更高,内部会产生更高的横向电场也就是更强烈的电荷平衡特性,保证内部空间电荷区获得所要求的击穿电压;同时,内部结构中每个柱状结构的高度对宽度的比值增加,上述的这些因素导致新一代技术的超结结构的高压功率MOSFET的Coss和Crss的电容曲线的突变电压区将降低到更低的电压,寄生电容的非线性特性更为剧烈。

不同的工艺,转折点的电压不一样,转折点的电压越低,电容的非线性特性越强烈,对功率MOSFET的开关特性以及对系统的EMI影响也越强烈。采用以前技术的超结结构的输出电容Coss非线性特性的VDS电压区间为40-60V,新一代的超结结构的输出电容Coss非线性特性的VDS电压区间为20~30 V。电容Crss和电容Coss的下降发生在更低的电压区间,这种效应在开关过程形成更快的开关速度,可以明显的降低开关损耗。Crss小,减小开关过程中电流和电压的交越时间。

另外,因为功率MOSFET在关断过程中,储存在输出电容Coss能量将会在每一个开关周期开通的过程中消耗在沟道中,新一代超结结构的功率MOSFET在高压时输出电容Coss降低得更低,Coss下降突变发生在更低的电压区,储存在输出电容Coss的能量Eoss等于输出电容对VDS电压在工作电压范围内的积分计算得到,因此,Eoss能量降低到更低的值,进一步的降低硬开关工作过程中的开关损耗,特别是在轻载的时候,Eoss产生的开关损耗的作用更加明显,可以极大提高系统轻载的效率。

然而,Coss和Crss这种效应在开关过程中,VDS电压经过这个电压区间,将会产生非常大的du/dt和di/dt,容易在驱动的栅极和漏极产生电压振荡,形成过高的VGS、VDS过电压尖峰,同时对系统EMI产生影响。

4 结论

1)超结结构的功率MOSFET内部P柱形成耗尽层及横向电场过程中,耗尽层空间电荷区的形状改变,导致影响输出电容的极板面积和距离发生剧烈的改变,输出电容具有强烈的非线性特性。

2)新一代超结技术采用更小晶胞单元尺寸,导致输出电容转折点电压进一步降低,对应的开关损耗减低,同时输出电容非线性特性进一步加剧。

3)输出电容非线性特性产生非常大的du/dt和di/dt,对系统EMI产生影响。
责任编辑:tzh

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发表于 05-20 10:05 137次 阅读

NCP81143 VR多相控制器

43多相降压解决方案针对具有用户可配置3/2/1相位的Intel VR12.5兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动调频,同时保持优异的瞬态性能。 NCP81143提供两个内部MOSFET驱动器,带有一个外部PWM信号。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-09 11:36 565次 阅读

NCV898031 非同步SEPIC /升压控制器 2 MHz

031是一款可调输出非同步2 MHz SEPIC / boost控制器,用于驱动外部N沟道MOSFET。该器件采用峰值电流模式控制和内部斜率补偿。该IC集成了一个内部稳压器,为栅极驱动器提供电荷。 保护功能包括内部设置软启动,欠压锁定,逐周期电流限制和热关断。 其他功能包括低静态电流睡眠模式和微处理器兼容使能引脚。 特性 优势 具有内部斜率补偿的峰值电流模式控制 宽输入电压和负载范围内的良好瞬态响应 1.2 V 2%参考电压 准确的电压调节 2 MHz固定频率操作 卓越的瞬态响应,较小尺寸的滤波元件,基频高于AM频段 宽输入电压范围3.2 V至40 V,45 V负载转储 适用于各种应用 输入Und ervoltage Lockout(UVLO) 禁用欠压条件下的启动 内部软启动 减少启动期间的浪涌电流 睡眠模式下的低静态电流 非常低的关闭状态电流消耗 逐周期电流限制保护 防止过电流情况 打嗝模式短路保护(SCP) 防止短路故障 热关断(TSD) 热保护IC 应用 终端产品 启动 - 停止系统 SEPIC(非反相降压 - 升压),升压,反激...
发表于 07-29 19:02 420次 阅读
NCV898031 非同步SEPIC /升压控制器 2 MHz

NCV8851-1 汽车平均电流模式控制器

1-1是一款可调输出,同步降压控制器,可驱动双N沟道MOSFET,是大功率应用的理想选择。平均电流模式控制用于在宽输入电压和输出负载范围内实现非常快速的瞬态响应和严格调节。该IC集成了一个内部固定的6.0 V低压差线性稳压器(LDO),为开关模式电源(SMPS)底栅驱动器提供电荷,从而限制了过多栅极驱动的功率损耗。该IC设计用于在宽输入电压范围(4.5 V至40 V)下工作,并且能够在500 kHz下进行10至1次电压转换。其他控制器功能包括欠压锁定,内部软启动,低静态电流睡眠模式,可编程频率,SYNC功能,平均电流限制,逐周期过流保护和热关断。 特性 优势 平均电流模式控制 快速瞬态响应和简单的补偿器设计 0.8 V 2%参考电压 可编程输出电压的严格公差 4.5 V至40 V的宽输入电压范围 允许通过负载突降情况直接调节汽车电池 6.0 V低压差线性稳压器(LDO) 耗材栅极驱动器的内部电源 输入UVLO(欠压锁定) 在欠压条件下禁用启动 内部软启动 降低浪涌电流并避免启动时输出过冲 睡眠模式下1.0μA的最大静态电流 睡眠电流极低 自适应非重叠...
发表于 07-29 19:02 529次 阅读

LV5725JA 降压转换器 DC-DC 1通道

JA是一个降压电压开关稳压器。 特性 优势 宽输入动态范围:4.5V至50V 可在任何地方使用 内置过流逐脉冲保护电路,通过外部MOSFET的导通电阻检测,以及HICCUP方法的过流保护 烧伤保护 热关闭 热保护 负载独立软启动电路 控制冲击电流 外部信号的同步操作 它可以改善发生两个稳压器IC之间的振荡器时钟节拍 电源正常功能 稳定性操作 外部电压为输出电压高时可用 应用 降压方式开关稳压器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 19:02 318次 阅读

FSEZ1317WA 集成了功率MOSFET的初级侧调节PWM

代初级侧调节(PSR)和高度集成的PWM控制器提供多种功能,以增强低功耗反激式转换器的性能。 FSEZ1317WA的专有拓扑结构TRUECURRENT®可实现精确的CC调节,并简化电池充电器应用的电路设计。与传统设计或线性变压器相比,可以实现低成本,更小,更轻的充电器。为了最大限度地降低待机功耗,专有绿色模式提供关断时间调制,以在轻载时线性降低PWM频率条件。绿色模式有助于电源满足节能要求。 通过使用FSEZ1317WA,可以用很少的外部元件实现充电器并降低成本。 特性 30mW以下的低待机功率 高压启动 最少的外部元件计数 恒压(CV)和恒流(CC)控制无二次反馈电路 绿色模式:线性降低PWM频率 固定频率为50kHz的PWM频率以解决EMI问题 CV模式下的电缆补偿 CV中的峰值电流模式控制模式 逐周期电流限制 V DD 使用Auto Restar进行过压保护t V DD 欠压锁定(UVLO) 栅极输出最大电压钳位在15V 自动重启固定过温保护 7导联SOP 应用 电子书阅读器 外部AC-DC商用电源 - 便携消费型 外部AC-D...
发表于 07-29 19:02 304次 阅读

FSEZ1016A 带有集成式MOSFET的初级端调节PWM控制器

度集成的PWM控制器具备多种功能,可增强低功率反激转换器的性能.FSEZ1016A专有的拓扑简化了电路设计,特别是电池充电器应用中的电路设计。与传统设计或线性变压器相比,它成本更低,尺寸更小,具有更轻的充电器。启动电流仅为10μA,允许使用大启动电阻以实现进一步的节能。为了最大限度地降低待机功耗,专有绿色模式提供了关断时间调制,以在轻载条件下线性降低PWM频率。绿色模式有助于电源达到节电要求。通过使用FSEZ1016A,充电器可以用极少的外部元件和最低的成本来完成.FSEZ1016A系列控制器提供7引脚SOIC封装。 特性 恒压(CV)和恒流(CC)控制( 通过飞兆专有的TRUECURRENT™技术实现精准恒定电流 绿色模式功能:线性降低PWM频率 42 kHz的固定PWM频率(采用跳频来解决电磁干扰问题) 恒压模式下的电缆补偿 低启动电流:10μA 低工作电流:3.5 mA 恒压模式下的峰值电流模式控制 逐周期限流 V DD 过压保护(带自动重启) V DD 欠压锁定(UVLO) 带闩锁的固定过温保护(OTP) 采用SOIC-7封装 应用 ...
发表于 07-29 19:02 1294次 阅读

NCP81231 降压控制器 USB供电和C型应用

31 USB供电(PD)控制器是一款针对USB-PD C型解决方案进行了优化的同步降压控制器。它们是扩展坞,车载充电器,台式机和显示器应用的理想选择。 NCP81231采用I2C接口,可与uC连接,以满足USB-PD时序,压摆率和电压要求。 NCP81231工作在4.5V至28V 特性 优势 I2C可配置性 允许电压曲线,转换速率控制,定时等 带驱动程序的同步降压控制器 提高效率和使用标准mosfet 符合USB-PD规范 支持usb-pd个人资料 过压和过流保护 应用 终端产品 USB Type C 网络配件 消费者 停靠站 车载充电器s 网络中心 桌面 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 19:02 475次 阅读

NCP81239 4开关降压 - 升压控制器 USB供电和C型应用

39 USB供电(PD)控制器是一种同步降压升压,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为笔记本电脑,平板电脑和台式机系统以及使用USB的许多其他消费类设备所需的电源轨PD标准和C型电缆。与USB PD或C型接口控制器配合使用时,NCP81239完全符合USB供电规范。 NCP81239专为需要动态控制压摆率限制输出电压的应用而设计,要求电压高于或低于输入电压。 NCP81239驱动4个NMOSFET开关,允许其降压或升压,并支持USB供电规范中指定的消费者和供应商角色交换功能,该功能适用​​于所有USB PD应用。 USB PD降压升压控制器的工作电源和负载范围为4.5 V至28 V. 特性 优势 4.5 V至28 V工作范围 各种应用的广泛操作范围 I2C接口 允许uC与设备连接以满足USB-PD电源要求 将频率从150 kHz切换到1200 kHz 优化效率和规模权衡 过渡期间的压摆率控制 允许轻松实施USB-PD规范 支持USB-PD,QC2.0和QC3.0配置文件 过电压和过流保护 应用 终端产品 消费者 计算 销售点 USB Type-C USB PD 桌面 集线器 扩展...
发表于 07-29 19:02 671次 阅读

ADP3211 同步降压控制器 7位 可编程 单相

1是一款高效的单相同步降压开关稳压控制器。凭借其集成驱动器,ADP3211经过优化,可将笔记本电池电压转换为高性能英特尔芯片组所需的电源电压。内部7位DAC用于直接从芯片组或CPU读取VID代码,并将GMCH渲染电压或CPU核心电压设置为0 V至1.5 V范围内的值。 特性 优势 单芯片解决方案。完全兼容英特尔®IMVP-6.5 CPU和GMCH芯片组电压调节器规格集成MOSFET驱动器。 提高效率。 输入电压范围为3.3V至22V。 提高效率。 最差±7mV -case差分感应核心电压误差超温。 提高效率。 自动节电模式可在轻负载运行期间最大限度地提高效率。 提高效率。 软瞬态控制可降低浪涌电流和音频噪声。 当前和音频缩减。 独立电流限制和负载线设置输入,以增加设计灵活性。 改进设计灵活性ity。 内置电源良好屏蔽支持电压识别(VID)OTF瞬变。 提高效率。 具有0V至1.5V输出的7位数字可编程DAC。 提高效率。 短路保护。 改进保护。 当前监听输出信号。 提高效率。 这是一款无铅设备。完全符合RoHS标准和32引...
发表于 07-29 19:02 459次 阅读

NCP81149 具有SVID接口的单相电压调节器 适用于计算应用

49是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为新一代计算CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14A TDC的输出电流。在高达1.2MHz的高开关频率下工作,允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。具有来自输入电源和输出电压的前馈的电流模式RPM控制确保在宽操作条件下的稳定操作。 NCP81149采用QFN48 6x6mm封装。 特性 优势 4.5V至25V输入电压范围 针对超极本和笔记本应用进行了优化 支持11.5W和15W ULT平台 符合英特尔VR12.6和VR12.6 +规格 使用SVID接口调节输出电压 可编程DVID Feed - 支持快速DVID的前进 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kHz~1.2MHz开关频率 降低输出滤波器尺寸和成本 Feedforward Ope输入电源电压和输出电压的比例 快线瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止故障 应用 终端产品 工业应用 超极本应用程序 笔记本应用程序 集成POL U...
发表于 07-29 19:02 291次 阅读

NCP81141 Vr12.6单相控制器

41单相降压解决方案针对Intel VR12.6兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。单相控制器采用DCR电流检测,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应.NCP81141集成了内部MOSFET驱动器,可提高系统效率。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 694次 阅读

NCP81147 低压同步降压控制器

47是一款单相解决方案,具有差分相电流检测,同步输入,远程接地节能操作和栅极驱动器,可提供精确调节的电源。自适应非重叠栅极驱动和省电操作电路为服务器,笔记本和台式机系统提供低开关损耗和高效率解决方案。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。 NCP81147还具有软启动序列,精确的过压和过流保护,用于电源轨的UVLO和热关断。 特性 优势 内部高性能运算放大器 简化系统补偿 集成MOSFET驱动器 节省空间并简化设计 热关机保护 确保稳健的设计 过压和过流保护 确保稳健设计 省电模式 在轻载操作期间最大限度地提高效率 支持5.0 V至19 V输入 5.0 V至12 V操作 芯片使能功能通过OSC引脚 保证启动进入预充电负载 内部软启动/停止 振荡器频率范围为100 kHz至1000 kHz OCP准确度,锁定前的四次重入时间 无损耗差分电感电流检测 内部高精度电流感应放大器 20ns内部栅极驱动器的自适应FET非重叠时间 Vout从0.8V到3.3 V(5V,12V VCC) 热能补偿电流监测 ...
发表于 07-29 18:02 571次 阅读

NCP5230 低压同步降压控制器

0是一款单相解决方案,具有差分相电流检测,同步输入,远程接地节能操作和栅极驱动器,可提供精确调节的电源。自适应非重叠栅极驱动和省电操作电路为服务器,笔记本和台式机系统提供低开关损耗和高效率解决方案。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。 NCP5230还具有软启动序列,精确的过压和过流保护,用于电源轨的UVLO和热关断。 特性 高性能误差放大器 >内部软启动/停止 0.5%内部电压精度,0.8 V基准电压 OCP精度,锁存前四次重入时间无损差分电感电流检测内部高精度电流检测放大器振荡器频率范围100 kHz 1000 kHz 20 ns自适应FET内部栅极驱动器非重叠时间 5.0 V至12 V操作支持1.5 V至19 V Vin Vout 0.8 V至3.3 V(具有12 VCC的5 V电压)通过OSC引脚实现芯片功能锁存过压保护(OVP)内部固定OCP阈值保证启动预充电负载 热补偿电流监控 Shutdow n保护集成MOSFET驱动器集成BOOST二极管,内部Rbst = 2.2 自动省电模式,最大限度地提高光效率负载运行同步功能远程地面传感这是一个无铅设备 应用 桌面和服务器系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 493次 阅读

NCP3030 同步PWM控制器

0是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.6 V的输出电压.NCP3030提供集成栅极驱动器和内部设置的1.2 MHz(NCP3030A)或2.4 MHz( NCP3030B)振荡器。 NCP3030还具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压保护,输出欠压保护和输入欠压锁定。 NCP3030目前采用SOIC-8封装。 特性 优势 输入电压4.7 V至28 V 从不同输入电压源调节的能力 0.8 V +/- 1.5%参考电压 能够实现低输出电压 1200 kHz操作(NCP3020B - 2400 kHz) 高频操作允许使用小尺寸电感器和电容器 > 1A驱动能力 能够驱动低Rdson高效MOSFET 电流限制和短路保护 高级保护功能 输出过压和欠压检测 高级保护功能 具有外部补偿的跨导放大器 能够利用所有陶瓷输入和输出电容器 集成升压二极管 减少支持组件数量和成本 受管制的软启动 已结束软启动期间的环路调节可防止任何尖峰或下垂 AEC-Q100和PPAP兼容(NCV3030) 适用于汽车应用 应用 终端产品 ...
发表于 07-29 17:02 321次 阅读
NCP3030 同步PWM控制器