栅极驱动设计中的关键控制及400W CCM PFC中的效率比较

本应用笔记是对飞兆半导体新一代超级结MOSFET，SuperFET II和SuperFET II Easy Drive MOSFET的介绍和概述。将讨论每个结构，以及它们可以为设计带来的优势。还将包括平面结型和超结型MOSFET的性能比较，以及这些器件在不同条件下的性能。

功率MOSFET技术已朝着更高的单元密度发展以降低导通电阻。利用电荷平衡理论的超结器件在十年前被引入半导体行业，并在高压功率MOSFET市场上树立了新的标杆。超级结（SJ）MOSFET可实现更高的功率转换效率。但是，超结MOSFET的极快开关性能会产生不良的副作用，例如高电压或电流尖峰或较差的EMI性能。基于最近的系统趋势，提高效率是一个关键目标，并且仅针对EMI使用慢速开关设备并不是一种优化的解决方案。飞兆半导体最近在高压功率MOSFET产品组合中增加了采用最新超级结技术的SuperFET®II MOSFET系列。有了这项技术，飞兆半导体在高端AC-DC SMPS应用中提供高性能，例如服务器，电信，计算，工业电源，UPS / ESS，太阳能逆变器和照明应用；以及要求高功率密度，系统效率和可靠性的消费类电子产品。飞兆半导体利用先进的电荷平衡技术，通过引入600 V N通道SuperFET®II MOSFET系列，帮助设计人员实现更高效，高性能的解决方案，这些解决方案占用的电路板空间较小，并改善了EMI和可靠性。

超级结MOSFET技术

RDS（ON）×QG，品质因数（FOM）通常被认为是开关模式电源（SMPS）中MOSFET性能的最重要的单个指标。因此，已经开发了几种新技术来改进RDS（ON）×QG FOM。图1显示了平面MOSFET和超结MOSFET的垂直结构和电场分布。平面MOSFET的击穿电压由漂移掺杂及其厚度决定。电场分布的斜率与漂移掺杂成正比。因此，需要厚且轻掺杂的Epi，以支持更高的击穿电压。

功率MOSFET的垂直结构和电场分布

高压MOSFET导通电阻的主要贡献来自漂移区：导通电阻随着轻掺杂和厚漂移层的增加而呈指数增加，以获得更高的击穿电压。在高压MOSFET技术中，降低导通电阻的最显着成就是图2所示的超结技术。

平面MOSFET / SJ MOSFET的特定RDS（ON）与击穿电压的关系

与传统平面技术的良好结构相比，超结技术在体内具有深的p型柱状结构。柱的作用是将电场限制在轻掺杂的外延区域中。由于采用了这种p型支柱，与传统的平面技术相比，n型Epi的电阻可以大大降低，同时保持相同的击穿电压水平。这项新技术在导通电阻方面突破了硅的限制，与平面工艺相比，每单位面积的导通电阻仅达到三分之一。该技术还实现了独特的非线性寄生电容特性，因此可以降低开关功率损耗。

SuperFET®II MOSFET概念

图3显示了SuperFET®II MOSFET概念。SuperFET®II系列具有出色的开关性能，可以直接替代SUPREMOS®MOSFET。由于优化了栅极电荷和电容，开关dv / dt低于SupreMOS®MOSFET。具有优化的开关性能的SuperFET®II“简易驱动”系列可以直接替代SuperFET®IMOSFET。它带有集成的栅极电阻和优化的电容，以实现自限di / dt和dv / dt特性。SuperFET®II Easy Drive系列简化了实现并实现了低噪声水平。

SuperFET®II Easy Drive系列

基于电荷平衡技术的超级结MOSFET在降低导通电阻和寄生电容方面提供了出色的性能，这通常需要权衡取舍。SJ MOSFET具有较小的寄生电容，具有极快的开关特性和降低的开关损耗。但是，如果没有dv / dt控制，则漏-源电压的压摆率可能会高达100 V / ns，这可能导致EMI问题以及与设备或印刷电路板中的寄生寄生以及非线性寄生电容相关的不稳定操作SMPS中的SJ MOSFET的示意图。新一代的超结MOSFETSuperFET®II器件通过优化的设计实现了优化的开关和低开关噪声，从而在应用中实现了高效率和低EMI。SJ MOSFET的高开关速度可降低开关损耗，但可能产生负面影响；例如在应用中增加的EMI，栅极振荡和高峰值漏极-源极电压。

600 VSuperFET®II MOSFET系列的内部栅极电阻

栅极驱动设计中的关键控制参数是外部串联栅极电阻（Rg）。这可抑制峰值漏极-源极电压，并防止由功率MOSFET的引线电感和寄生电容引起的栅极振铃。这也会减慢在接通和关断期间电压（dv / dt）和电流（di / dt）的上升速率。Rg还影响MOSFET的开关损耗。控制这些损耗非常重要，因为设备必须在目标应用中达到最高效率。从应用的角度来看，为Rg选择正确的值非常重要。如图4所示，SuperFET®II Easy Drive系列采用集成的栅极电阻，该电阻不是等效串联电阻（ESR），而是位于栅极焊盘中的栅极电阻，以减少栅极振荡并在大电流条件下控制开关dv / dt和di / dt。集成栅极电阻的值通过栅极电荷优化。

栅极电荷的比较：600 V / 190mΩSuperFET®II Easy Drive MOSFET与600 V / 190mΩ上一代SJ MOSFET

超结MOSFET的Coss变得非常非线性，在超结MOSFET的50 V漏极-源极电压附近迅速降低。这样可以实现极快的dv / dt和di / dt。反向传输电容（Cgd）通常称为米勒电容，是影响开关期间电压上升和下降时间的主要参数之一。Cgd提供了来自漏极电压的负反馈效应，并且必须通过Rg提供的栅极驱动电流将其放电。振荡与多种原因有关，例如高开关dv / dt和di / dt，寄生Cgd以及漏极电流的值。图5显示了SuperFET®II Easy Drive MOSFET和上一代SJ MOSFET在VDS = 480 V，VGS = 10 V和ID = 10 A的栅极电荷的测量结果。如图5所示，

SuperFET®II系列

SuperFET II系列设计用于高效率和功率密度应用。根据实验结果，SuperFET®II系列通过减少栅极电荷和减小ESR来提高系统效率。SuperFET®II系列具有出色的开关性能，并能承受极高的dv / dt速率。SuperFET®II系列适用于开关模式操作中的各种AC-DC电源转换，以实现系统小型化，更高的效率和更凉爽的热性能。

400 W CCM PFC中的效率比较

00 W CCM PFC用于比较SuperFET®II系列和SuperFET®II Easy Drive系列的效率。该整流器的输入电压为100 VAC，输出电压和电流分别设置为400 V和1A。开关频率为95 kHz，用于接通的栅极电阻为10Ω，关断电阻为3.3Ω。效率测量结果如图6所示。

与SuperFET®II Easy Drive MOSFET（FDP190N60E）在满载条件下相比，SuperFET®II MOSFET（FCP190N60）的效率提高了约0.2％。更高效率的主要原因是由于较低的Miller电容和Qg，从而降低了开关和驱动损耗。功率MOSFET的更快开关可实现更高的功率转换效率。但是，随着开关速度越来越快，器件和电路板上的寄生元件更多地涉及开关特性。

编辑：hfy