討論在PFC中應(yīng)用的新型超級(jí)結(jié)MOSFET器件的特點(diǎn)

作者：時(shí)間：2013-02-25 來源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

　　超級(jí)結(jié)（Super-Junction）MOSFET器件基于電荷平衡技術(shù)，在減少導(dǎo)通電阻和寄生電容兩方面提供了出色的性能，這通常需要折中權(quán)衡。有了較小的寄生電容，超級(jí)結(jié)MOSFET具有極快的開關(guān)特性并因此減少了開關(guān)損耗。自然地，這種快速開關(guān)特性伴有極高的dv/dt和di/dt，會(huì)通過器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開關(guān)性能。特別地，對(duì)于在現(xiàn)代高頻SMPS中使用的超級(jí)結(jié)MOSFET，很難抑制頻率噪聲和EMI輻射，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高開關(guān)效率和低開關(guān)噪聲。此外，開關(guān)噪聲會(huì)導(dǎo)致某些意外的系統(tǒng)或器件失效，它們與柵氧化層擊穿、dv/dt衰減和控制信號(hào)中的閂鎖效應(yīng)問題相關(guān)，因?yàn)樵诟鞣N異常狀況中，例如啟動(dòng)狀態(tài)、過載狀況和并聯(lián)工作，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的柵極振蕩和高開關(guān)dv/dt。為實(shí)現(xiàn)低開關(guān)噪聲，需要使用高值寄生電容或柵電阻。根據(jù)最近的系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，改進(jìn)效率是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)；然而，只為降低開關(guān)噪聲而使用慢速開關(guān)器件不是最佳解決方案。憑借SuperFET II MOSFET的優(yōu)化設(shè)計(jì)，新一代超級(jí)結(jié)MOSFET SuperFET II器件實(shí)現(xiàn)了快速開關(guān)和低開關(guān)噪聲，在應(yīng)用中達(dá)到了高效率和低EMI。

　　SuperFET II MOSFET技術(shù)

　　眾所周知，超級(jí)結(jié)MOSFET的高開關(guān)速度自然有利于減少開關(guān)損耗，但它也帶來了負(fù)面影響，例如增加了EMI、柵極振蕩、高峰值漏源電壓。在柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)就是外部串聯(lián)柵電阻（Rg）。這會(huì)抑制峰值漏-源電壓，并防止由功率MOSFET的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴。該器件還在導(dǎo)通和關(guān)閉過程期間降低電壓上升速率（dv/dt）和電流上升速率（di/dt）。但Rg也會(huì)影響MOSFET的開關(guān)損耗。因?yàn)槠骷仨氃谀繕?biāo)應(yīng)用上達(dá)到最高效率，控制這些損耗是重要的。因此從應(yīng)用的觀點(diǎn)出發(fā)，選擇正確的Rg值是非常重要的。SuperFET II MOSFET使用了集成柵電阻，它不是等效串聯(lián)電阻（equivalent series resistor，ESR），只是柵電阻，置于柵極焊盤中，以便減少柵極振蕩和控制大電流條件下的開關(guān)dv/dt與di/dt。集成柵電阻數(shù)值采用柵電荷來優(yōu)化。器件的真實(shí)柵極中，VGS的柵極振蕩（Vb）顯著減少了，因?yàn)闁?源端的電壓降由內(nèi)部Rg和外部Rg來分擔(dān)。反向傳輸電容Cgd是影響開關(guān)期間的電壓上升和下降時(shí)間的主要的參數(shù)之一。Cgd提供了來自漏電壓的負(fù)反饋?zhàn)饔?，它必須由通過Rg的柵極驅(qū)動(dòng)電流來放電。振蕩與幾個(gè)原因有關(guān)，例如高的開關(guān)dv/dt和di/dt、寄生Cgd和漏極電流值。SuperFET II MOSFET的柵極電荷已優(yōu)化，用于改進(jìn)開關(guān)效率和開關(guān)噪聲之間的折中權(quán)衡。圖1顯示了在關(guān)斷瞬態(tài)期間，在相同驅(qū)動(dòng)條件下，從100W至400W的PFC電路中，比較快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET之后，實(shí)際MOSFET的dv/dt。關(guān)斷dv/dt呈線性上升，對(duì)于小的柵電阻（3.3Ω），快速超級(jí)結(jié)MOSFET顯示了在PFC電路中dv/dt不受控制。相比快速超級(jí)結(jié)MOSFET，SuperFET II MOSFET減少了關(guān)斷dv/dt的增加，但在300W負(fù)載條件下仍然呈線性增加。在滿負(fù)載條件下，dv/dt可控制在36V/ns，相比快速超級(jí)結(jié)MOSFET ，dv/dt減少了約30.8%。

　　圖1 在關(guān)斷瞬態(tài)期間，PFC電路中快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET的dv/dt測(cè)量比較（VIN=100Vac， PO=400W， Rg=3.3Ω）

　　超級(jí)結(jié)MOSFET的寄生振蕩機(jī)制

　　超級(jí)結(jié)MOSFET的Coss曲線是高度非線性的。當(dāng)超級(jí)結(jié)MOSFET作為開關(guān)器件用于PFC或DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，這些影響將會(huì)產(chǎn)生極快的dv/dt和di/dt以及電壓和電流振蕩。圖2顯示了觀察到的PFC電路中的振蕩波形，它們出現(xiàn)在超級(jí)結(jié)MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)期間。從一般的觀點(diǎn)來看，有幾種振蕩電路會(huì)影響MOSFET的開關(guān)性能，包括內(nèi)部和外部振蕩電路。圖3顯示了簡(jiǎn)化的PFC電路原理圖，包括內(nèi)部寄生參數(shù)，這是由功率MOSFET本身的寄生電容Cgs、Cgd_int.和Cds 與寄生電感Lg1、Ld1和Ls1，以及外部振蕩電路，由外部耦合電容Cgd_ext.和線路板布局的寄生電感LG、LD和LS帶來。寄生元件更多地涉及到開關(guān)特性，因?yàn)殚_關(guān)速度變得更快。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)在諧振電路中產(chǎn)生柵極寄生振蕩，該諧振電路由內(nèi)部和外部柵-漏電容Cgd_int.和Cgd_ext.以及柵電感Lg1和LG組成。當(dāng)MOSFET開關(guān)速度變快時(shí)，尤其在它關(guān)斷時(shí)，由于寄生電感LD，MOSFET漏-源中的振蕩電壓會(huì)經(jīng)過柵-漏電容Cgd，并形成了包含柵電感Lg1和LG的諧振電路。由于柵電阻極小，振蕩電路Q （）變大，當(dāng)諧振條件出現(xiàn)時(shí)，在那個(gè)地方和Cgd或LG、Lg1之間產(chǎn)生了大振蕩電壓，并引起了寄生振蕩。此外，LS和Ls1兩端的電壓降可由公式（1）表示，它由關(guān)斷瞬態(tài)期間的負(fù)漏極電流引起。雜散源極電感LS和Ls1兩端的電壓降在柵-源電壓上產(chǎn)生了振蕩。寄生振蕩會(huì)引起嚴(yán)重的EMI問題、大的開關(guān)損耗、柵-源擊穿、柵極失控，甚至導(dǎo)致MOSFET失效。

　　（1）

　　圖2 使用超級(jí)結(jié)MOSFET ，PFC電路中的嚴(yán)重振蕩波形

　　圖3 PFC電路的簡(jiǎn)化原理圖與功率MOSFET的內(nèi)部和外部寄生現(xiàn)象

　　SuperFET II MOSFET的應(yīng)用益處

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在PFC電路中SuperFET II MOSFET能夠穩(wěn)定運(yùn)行并具有更好的EMI結(jié)果。測(cè)量在PFC升壓電路中進(jìn)行，在AC開/關(guān)測(cè)試期間，輸入電壓VIN=110VAC和輸出功率水平Pout=300W相同。圖4顯示了啟動(dòng)時(shí)在柵極振蕩VGS （黃線）中，快速超級(jí)結(jié)MOSFET和SuperFET II MOSFET之間的波形比較差異。對(duì)于快速超級(jí)結(jié)MOSFET，產(chǎn)生的高峰值柵極振蕩超過45V。它會(huì)引起過電壓閂鎖（latch-up）效應(yīng)，最后導(dǎo)致功率MOSFET的柵極信號(hào)缺失，如圖4 （a）所示。使用如圖4 （b）所示的SuperFET II MOSFET，峰值Vcc電壓急劇下降到16V，并且消除了閂鎖效應(yīng)。如果輸出功率水平增加或在相同的輸出功率上輸入電壓降低，這種振蕩效應(yīng)會(huì)強(qiáng)制發(fā)生。在AC線路電壓掉落后，該效應(yīng)也會(huì)發(fā)生，當(dāng)線路電壓恢復(fù)時(shí)，升壓級(jí)可為大電容充電至標(biāo)稱電壓。在此期間，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，漏極電流是相當(dāng)高的。漏極電流會(huì)轉(zhuǎn)向MOSFET的輸出電容Coss并為其充電至DC母線電壓。電壓斜率與負(fù)載電流成正比，且與輸出電容值成反比。因?yàn)橹車械募纳娙荩遜v/dt值導(dǎo)致了電容性轉(zhuǎn)移電流。連同所有的布局和寄生電感與電容，形成了LC振蕩電路，僅由內(nèi)部Rg來衰減。在某些條件下，例如在輸入電壓瞬態(tài)或短路情況下，會(huì)出現(xiàn)高di/dt和dv/dt，這會(huì)導(dǎo)致異常開關(guān)行為或最差的器件損壞情況。然而，采用優(yōu)化的SuperFET II MOSFET，有助于改進(jìn)效率并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。

　?。╝）快速超級(jí)結(jié)MOSFET （b） SuperFET II MOSFET

　　圖4 PFC電路中啟動(dòng)狀態(tài)期間的波形比較

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

　　在400W ATX電源中驗(yàn)證了SuperFET II MOSFET的EMI性能。圖5顯示了用作PFC開關(guān)的快速超級(jí)結(jié)MOSFET和SuperFET II MOSFET的EMI噪聲輻射測(cè)量結(jié)果。由于SuperFET II MOSFET的軟開關(guān)特性，SuperFET II MOSFET可以減小峰值漏-源電壓、峰值dv/dt和柵極振蕩。通過使用SuperFET II MOSFET，在90MHz至160MHz的頻率范圍內(nèi)，輻射水平（dBμV）變得更低。特別需要指出，相比快速超級(jí)結(jié)MOSFET， SuperFET II MOSFET在130MHz的輻射水平低于9～10dBμV，如圖5（b）所示。