讨论在PFC中应用的新型超级结MOSFET器件的特点 - 全文

　　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。

　　

　　（a）快速超级结MOSFET

　　

　　（b） SuperFET II MOSFET图5 在VIN=110Vac，Po=400W下，在ATX电源中测得的EMI辐射

　　结论

　　随着功率MOSFET技术更加先进，超级结MOSFET带来了更小的芯片尺寸和更高效率的性能。具有极快开关速度的超级结MOSFET是实现较高效率的基本选择，但相比先前数代产品，难以控制。新型超级结MOSFET，即SuperFET II MOSFET能够优化开关性能，在启动或过载状况最大化使用了开关性能等大电流运行中减少栅极振荡、EMI噪声并改进稳定工作。