討論在PFC中應用的新型超級結MOSFET器件的特點

　　SuperFET II MOSFET技術

　　眾所周知，超級結MOSFET的高開關速度自然有利于減少開關損耗，但它也帶來了負面影響，例如增加了EMI、柵極振蕩、高峰值漏源電壓。在柵極驅動設計中，一個關鍵的控制參數(shù)就是外部串聯(lián)柵電阻（Rg）。這會抑制峰值漏-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。該器件還在導通和關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也會影響MOSFET的開關損耗。因為器件必須在目標應用上達到最高效率，控制這些損耗是重要的。因此從應用的觀點出發(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。器件的真實柵極中，VGS的柵極振蕩 （Vb）顯著減少了，因為柵-源端的電壓降由內部Rg和外部Rg來分擔。反向傳輸電容Cgd是影響開關期間的電壓上升和下降時間的主要的參數(shù)之一。Cgd提供了來自漏電壓的負反饋作用，它必須由通過Rg的柵極驅動電流來放電。振蕩與幾個原因有關，例如高的開關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，用于改進開關效率和開關噪聲之間的折中權衡。圖1顯示了在關斷瞬態(tài)期間，在相同驅動條件下，從100W至400W的PFC電路中，比較快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET之后，實際MOSFET的dv/dt。關斷dv/dt呈線性上升，對于小的柵電阻（3.3Ω），快速超級結MOSFET顯示了在PFC電路中dv/dt不受控制。相比快速超級結MOSFET，SuperFET II MOSFET減少了關斷dv/dt的增加，但在300W負載條件下仍然呈線性增加。在滿負載條件下，dv/dt可控制在36V/ns，相比快速超級結MOSFET ，dv/dt減少了約30.8%。

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

　　超級結MOSFET的寄生振蕩機制

　　超級結MOSFET的Coss曲線是高度非線性的。當超級結MOSFET作為開關器件用于PFC或DC/DC轉換器時，這些影響將會產生極快的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)在超級結MOSFET關斷瞬態(tài)期間。從一般的觀點來看，有幾種振蕩電路會影響MOSFET的開關性能，包括內部和外部振蕩電路。圖3顯示了簡化的PFC電路原理圖，包括內部寄生參數(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特性，因為開關速度變得更快。當MOSFET導通和關斷時，會在諧振電路中產生柵極寄生振蕩，該諧振電路由內部和外部柵-漏電容Cgd_int.和Cgd_ext.以及柵電感Lg1和LG組成。當MOSFET開關速度變快時，尤其在它關斷時，由于寄生電感LD，MOSFET漏-源中的振蕩電壓會經(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，當諧振條件出現(xiàn)時，在那個地方和Cgd或LG、Lg1之間產生了大振蕩電壓，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，它由關斷瞬態(tài)期間的負漏極電流引起。雜散源極電感LS和Ls1兩端的電壓降在柵-源電壓上產生了振蕩。寄生振蕩會引起嚴重的EMI問題、大的開關損耗、柵-源擊穿、柵極失控，甚至導致MOSFET失效。

　　（1）

　　圖2 使用超級結MOSFET ，PFC電路中的嚴重振蕩波形

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

　　SuperFET II MOSFET的應用益處

　　實驗結果證實，在PFC電路中SuperFET II MOSFET能夠穩(wěn)定運行并具有更好的EMI結果。測量在PFC升壓電路中進行，在AC開/關測試期間，輸入電壓VIN=110VAC和輸出功率水平Pout=300W相同。圖4顯示了啟動時在柵極振蕩VGS （黃線）中，快速超級結MOSFET和SuperFET II MOSFET之間的波形比較差異。對于快速超級結MOSFET，產生的高峰值柵極振蕩超過45V。它會引起過電壓閂鎖（latch-up）效應，最后導致功率MOSFET的柵極信號缺失，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。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，這種振蕩效應會強制發(fā)生。在AC線路電壓掉落后，該效應也會發(fā)生，當線路電壓恢復時，升壓級可為大電容充電至標稱電壓。在此期間，當MOSFET關斷時，漏極電流是相當高的。漏極電流會轉向MOSFET的輸出電容Coss并為其充電至DC母線電壓。電壓斜率與負載電流成正比，且與輸出電容值成反比。因為周圍所有的寄生電容，高dv/dt值導致了電容性轉移電流。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，會出現(xiàn)高di/dt和dv/dt，這會導致異常開關行為或最差的器件損壞情況。然而，采用優(yōu)化的SuperFET II MOSFET，有助于改進效率并實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

　?。╝）快速超級結MOSFET （b） SuperFET II MOSFET

　　圖4 PFC電路中啟動狀態(tài)期間的波形比較

　?。╒IN=110VAC， POUT=300W， VO=380V， 600V/190mΩ SJ MOSFET）

　　在400W ATX電源中驗證了SuperFET II MOSFET的EMI性能。圖5顯示了用作PFC開關的快速超級結MOSFET和SuperFET II MOSFET的EMI噪聲輻射測量結果。由于SuperFET II MOSFET的軟開關特性，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，輻射水平（dBμV）變得更低。特別需要指出，相比快速超級結MOSFET， SuperFET II MOSFET在130MHz的輻射水平低于9～10dBμV，如圖5（b）所示。

　　（a）快速超級結MOSFET

　?。╞） SuperFET II MOSFET圖5 在VIN=110Vac，Po=400W下，在ATX電源中測得的EMI輻射

　　結論

　　隨著功率MOSFET技術更加先進，超級結MOSFET帶來了更