超結(jié)高壓MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及EMI設(shè)計(jì)
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0 引言
近幾年，超結(jié)（Super Junction）結(jié)構(gòu)高壓功率MOSFET由于具有非常低的導(dǎo)通電阻(RDSON) 和開(kāi)關(guān)損耗，在各種電源系統(tǒng)中獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。超結(jié)結(jié)構(gòu)通過(guò)降低內(nèi)部晶胞單元的尺寸，采用非常高的單元密度，大幅降低了導(dǎo)通電阻和硅片面積，節(jié)省成本。硅片面積的降低也會(huì)導(dǎo)致器件的各種寄生電容降低，器件開(kāi)關(guān)速度更快，開(kāi)關(guān)損耗減小，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。
但是，器件過(guò)低的寄生電容導(dǎo)致開(kāi)關(guān)速度過(guò)快，開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的dV/dt 和di/dt，這會(huì)帶來(lái)EMI設(shè)計(jì)的問(wèn)題及柵極振蕩。因此，對(duì)于超結(jié)結(jié)構(gòu)高壓MOSFET，需要優(yōu)化系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電路，從而在效率和EMI 之間達(dá)到設(shè)計(jì)的平衡，滿足系統(tǒng)的要求。[1-4]
作者簡(jiǎn)介：劉松，男，武漢人，碩士，現(xiàn)任職于萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心總監(jiān)，主要從事開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。songliu@aosmd.com。
1 超結(jié)結(jié)構(gòu)高壓功率MOSFET的開(kāi)關(guān)特性
在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，平面功率MOSFET 的dV/dt、di/dt完全由柵極驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)調(diào)整外部的柵極電阻就可以控制系統(tǒng)的dV/dt 和di/dt。，但是，超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 柵極電荷、Coss 和Crss 的非線性特性增加，在高壓下電容變得非常小，在低壓時(shí)電容又變得非常大，如果使用柵極電阻值取值范圍小，柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極電阻參數(shù)不能有效控制其開(kāi)關(guān)特性，如VDS 電壓的變化率主要受輸出電容Coss 和負(fù)載電流控制。
如果超結(jié)功率MOSFET 想用RG 控制關(guān)斷的dV/dt，RG 必須增加到非常大的值，這又會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)速度非常慢，增加開(kāi)關(guān)損耗和延時(shí)開(kāi)關(guān)。圖1 展示了功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電阻值非常小的工作波形，從波形可以看到，關(guān)斷的VDS 和ID 波形的交錯(cuò)區(qū)域非常小，類似于零電壓開(kāi)關(guān)ZVS 的關(guān)斷模式，因此關(guān)斷損耗非常小，在硬開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)中，可以提高系統(tǒng)的效率。
圖1 功率MOSFET的工作波形
2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)的影響
驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵的控制參數(shù)有：外部串聯(lián)的柵極電阻RG，外部并聯(lián)的柵極漏極電容Cgd，以及外部并聯(lián)的漏極源極電容Cds。
超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電阻值較小時(shí)，dV/dt 主要受輸出電容Coss 和最大負(fù)載電流的限制；隨著負(fù)載電流的上升，di/dt 以非?？斓乃俣壬仙?，在大負(fù)載電流時(shí)，主要受外部寄生電感和外部應(yīng)用電路的限制。當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電阻增加到較大值，di/dt 開(kāi)始部分受到驅(qū)動(dòng)電路的限制，dV/dt 情況也基本相同。
如果增大CGD 的值，也就是G、D 外加并聯(lián)電容，就可以使用較小的RG，以控制關(guān)斷的dV/dt，這是一個(gè)比較優(yōu)化的方法。當(dāng)然，也可以使用增大CDS 的值，D、S 外加并聯(lián)電容的方法來(lái)控制關(guān)斷dV/dt，其缺點(diǎn)是會(huì)增加開(kāi)通電流尖峰和di/dt。
如果功率MOSFET 流過(guò)的負(fù)載電流變化范圍大，不外加元件，在關(guān)斷過(guò)程中，dV/dt 和di/dt 也會(huì)在很大范圍內(nèi)變動(dòng)，給系統(tǒng)的EMI 和器件可靠性帶來(lái)問(wèn)題。
超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 通常需要外加一些元件和柵極電阻相配合，控制器件的開(kāi)關(guān)速度，保持柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)器件關(guān)斷過(guò)程的相關(guān)參數(shù)可控或部分可控，從而保證器件在極端條件下在可靠工作區(qū)工作，或滿足EMI 要求。
柵極電阻低，開(kāi)關(guān)速度更快，開(kāi)關(guān)損耗更低，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)過(guò)程中功率MOSFET 的寄生電感和寄生電容所產(chǎn)生的VDS 尖峰電壓，加劇柵極振蕩，同時(shí)增加開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中電壓和電流上升的斜率dV/dt 和di/dt。反之，增加?xùn)艠O電阻，會(huì)增加開(kāi)關(guān)過(guò)程中的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，減小VDS 的尖峰電壓，減小柵極振蕩，同時(shí)降低在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中電壓和電流上升的斜率dV/dt 和di/dt。
(a)外部柵極關(guān)斷電阻對(duì)關(guān)斷特性的影響
(b)外部并聯(lián)柵極源極電容對(duì)關(guān)斷特性的影響
(c)外部并聯(lián)漏極源極電容對(duì)關(guān)斷特性的影響
圖3 不同外部參數(shù)對(duì)MOSFET關(guān)斷特性的影響
3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及EMI影響
功率MOSFET 通常由PWM 或其他模式的控制器IC 內(nèi)部驅(qū)動(dòng)源來(lái)驅(qū)動(dòng)，為了提高關(guān)斷速度，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，降低關(guān)斷損耗，提高系統(tǒng)效率，通常要盡可能降低柵極驅(qū)動(dòng)電阻。由于控制器IC 和功率MOSFET 柵極通常在PCB 上有一定距離，因此，在PCB 上會(huì)有一段引線，這條引線越長(zhǎng)，引線電感越大，儲(chǔ)存的能量越大，關(guān)斷過(guò)程中容易導(dǎo)致柵極振蕩，不僅會(huì)產(chǎn)生EMI 問(wèn)題，還有可能在關(guān)斷過(guò)程中關(guān)斷并不完全，導(dǎo)致其誤開(kāi)通而損壞；同時(shí)，如果過(guò)高的振零尖峰大于VGS 最大額定值，也可能損壞柵極。因此，在很多AC-DC 電源、手機(jī)充電器以及適配器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，通常使用圖4 的驅(qū)動(dòng)電路，使用合適的開(kāi)通和關(guān)斷電阻，并使用柵極下拉PNP 管，以減小柵極和源極回路的引線電感。
圖4 的驅(qū)動(dòng)電路常用于驅(qū)動(dòng)平面結(jié)構(gòu)高壓功率MOSFET，可以在各種性能之間取得非常好的平衡。但是，由于超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 開(kāi)關(guān)速度非常快，雖然使用這樣的驅(qū)動(dòng)電路效率更高，但是，會(huì)產(chǎn)生較大的dV/dt 和di/dt，從而對(duì)EMI 產(chǎn)生影響。采用AOD600A70R，其中，R1=150 Ω，R2=10 Ω，R3=10 kΩ，分別在輸入120 V & 60 Hz、264 V & 50 Hz，輸出11 V/4 A，44 W條件下測(cè)量關(guān)斷波形，如圖4 所示。
(a)常用柵極驅(qū)動(dòng)電路
(b)關(guān)斷波形，120 V & 60 Hz
(c)關(guān)斷波形，264 V & 50 Hz
圖4 常用柵極驅(qū)動(dòng)電路及關(guān)斷波形
由于具有足夠的空間，電視機(jī)的板上AC-DC 電源、電腦適配器等可以在實(shí)現(xiàn)快開(kāi)關(guān)速度的同時(shí)，通過(guò)電路系統(tǒng)中的各路濾波器實(shí)現(xiàn)EMI 性能。而手機(jī)快速充電器內(nèi)部空間極其有限，因此，無(wú)法通過(guò)周圍濾波器保證EMI 性能。這種情況就需要優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路來(lái)改善系統(tǒng)性能。當(dāng)然，對(duì)于AC-DC 電源、電腦適配器，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路同樣可以提高EMI 性能。[5]
超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 的Coss 和Crss 強(qiáng)烈的非線性特性導(dǎo)致快速開(kāi)關(guān)特性，可以通過(guò)外部柵極- 漏極、漏極- 源極并聯(lián)電容來(lái)改善其非線性特性。在基于圖5的驅(qū)動(dòng)電路中，外部并聯(lián)柵極- 漏極電容為11 pF，然后測(cè)量關(guān)斷波形。從圖5 的波形可以看到，外部并聯(lián)柵極- 漏極電容可以降低di/dt，但是對(duì)dV/dt 的影響很小。從EMI 的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)要求。為了提高系統(tǒng)安全性，圖中柵極- 漏極電容采用2 顆高壓陶瓷電容串聯(lián)，C1=C2=22 pF。
(a)外部并聯(lián)柵極-漏極電容驅(qū)動(dòng)電路
(b)關(guān)斷波形，120 V & 60 Hz
(c)關(guān)斷波形，264 V & 50 Hz
圖5 外部并聯(lián)柵極-漏極電容驅(qū)動(dòng)電路及關(guān)斷波形
圖5 的結(jié)果表明；柵極驅(qū)動(dòng)速度仍然非常快，為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗和EMI 結(jié)果的平衡，去掉柵極二極管和下拉PNP 管，為了能夠控制關(guān)斷dV/dt，漏極- 源極需要并聯(lián)外部電容，如圖6 所示。圖6 的電路中加了1 個(gè)二極管，這樣關(guān)斷和開(kāi)通可以使用不同的柵極電阻值，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試優(yōu)化；C1=C2=22 pF，C2=47 pF，R1=R2= 5.1 Ω，關(guān)斷波形如圖6 所示。
(a)優(yōu)化EMI的柵極驅(qū)動(dòng)電路
(b)關(guān)斷波形，120 V & 60 Hz
(c) 關(guān)斷波形，264 V & 50 Hz
圖6 優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路及關(guān)斷波形
分別在輸入120 V & 60 Hz、264 V & 50 Hz，輸出11 V/4 A、44 W 條件下，使用圖4 的驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)量相關(guān)輻射。測(cè)量結(jié)果如圖7 所示，其結(jié)果或者超標(biāo)，或者達(dá)不到系統(tǒng)的裕量要求。
(a)120 V & 60 Hz，水平
(b)120 V & 60 Hz，垂直
(c)264 V & 50 Hz，水平
(d)264 V & 50 Hz，垂直
圖7 使用圖4驅(qū)動(dòng)電路的EMI測(cè)試結(jié)果
分別在輸入120 V & 60 Hz、264 V & 50 Hz，輸出11 V/4 A、44 W 條件下，使用圖6 的驅(qū)動(dòng)電路，測(cè)量相關(guān)的輻射，測(cè)量結(jié)果如圖8 所示，這些結(jié)果都達(dá)到了系統(tǒng)裕量的要求。
(a)120 V&60 Hz，水平
(b)120 V & 60 Hz，垂直
(c)264 V & 50 Hz，水平
(d)264 V & 50 Hz，垂直
圖8 使用圖6驅(qū)動(dòng)電路的EMI測(cè)試結(jié)果
4 結(jié)束語(yǔ)
超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 的Coss 和Crss 電容更強(qiáng)烈的非線性導(dǎo)致更快的開(kāi)關(guān)速度，產(chǎn)生EMI 的設(shè)計(jì)問(wèn)題。去除常用的柵極下拉快速關(guān)斷三極管，增加外部電容，超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 的開(kāi)關(guān)特性可以較好實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗和EMI 的平衡。
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉業(yè)瑞,劉松.超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET輸出電容特性[J].電子產(chǎn)品世界,2020(8):82-84.
[2] 劉業(yè)瑞,劉松.功率MOSFET輸出電容的非線性特性[J].電子產(chǎn)品世界,2020(10):70-71.
[3] 劉松.再談米勒平臺(tái)和線性區(qū):為什么傳統(tǒng)計(jì)算公式對(duì)超結(jié)MOSFET開(kāi)關(guān)損耗無(wú)效[J].今日電子,2018(5):38-40.
[4] 劉松.超結(jié)型高壓功率MOSFET結(jié)構(gòu)工作原理[J].今日電子,2013(11):30-31.
[5] 劉松,孫國(guó)營(yíng).快充次級(jí)同步整流MOSFET對(duì)EMI輻射干擾的影響[J].今日電子,2017(8) :32-33.
（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）
評(píng)論