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:分析了超结结构功率MOSFET在开关过程中由于Coss和Crss电容更强烈的非线性产生更快开关速度的特性;给出了不同外部驱动参数对开关过程的dV/dt和di/dt的影响;列出了不同驱动电路开关波形及开关性能的变化。最后,设计了优化驱动电路,实现优化的EMI结果,并给出了相应驱动电路的EMI测试结果。 近几年,超结(Super Junction)结构高压功率MOSFET由于具有非常低的导通电阻(RDSON) 和开关损耗,在各种电源系统中获得越来越多的应用。超结结构通过降低内部晶胞单元的尺寸,采用非常高的单元密度,大幅降低了导通电阻和硅片面积,节省成本。硅片面积的降低也会导致器件的各种寄生电容降低,器件开关速度更快,开关损耗减小,进一步提高系统的效率。 但是,器件过低的寄生电容导致开关速度过快,开关过程中产生过大的dV/dt 和di/dt,这会带来EMI设计的问题及栅极振荡。因此,对于超结结构高压MOSFET,需要优化系统及驱动电路,从而在效率和EMI之间达到设计的平衡,满足系统的要求。[1-4] 作者简介:刘松,男,武汉人,硕士,现任职于万国半导体元件有限公司应用中心总监,主要从事开关电源系统、电力电子系统和模拟电路的应用研究和开发工作。获广东省科技进步二等奖一项,发表技术论文60多篇。。 在开关过程中,平面功率MOSFET 的dV/dt、di/dt完全由栅极驱动控制,通过调整外部的栅极电阻就可以控制系统的dV/dt 和di/dt。,但是,超结结构功率MOSFET 栅极电荷、Coss 和Crss 的非线性特性增加,在高压下电容变得非常小,在低压时电容又变得非常大,如果使用栅极电阻值取值范围小,栅极驱动电路的栅极电阻参数不能有效控制其开关特性,如VDS 电压的变化率主要受输出电容Coss 和负载电流控制。 如果超结功率MOSFET 想用RG 控制关断的dV/dt,RG 必须增加到非常大的值,这又会导致开关速度非常慢,增加开关损耗和延时开关。图1 展示了功率MOSFET栅极驱动电阻值非常小的工作波形,从波形可以看到,关断的VDS 和ID 波形的交错区域非常小,类似于零电压开关ZVS 的关断模式,因此关断损耗非常小,在硬开关电源结构中,可以提高系统的效率。 驱动电路设计的关键的控制参数有:外部串联的栅极电阻RG,外部并联的栅极漏极电容Cgd,以及外部并联的漏极源极电容Cds。 超结结构功率MOSFET的栅极驱动电阻值较小时,dV/dt 主要受输出电容Coss 和最大负载电流的限制;随着负载电流的上升,di/dt 以非常快的速度上升,在大负载电流时,主要受外部寄生电感和外部应用电路的限制。当栅极驱动电阻增加到较大值,di/dt 开始部分受到驱动电路的限制,dV/dt 情况也基本相同。 如果增大CGD 的值,也就是G、D 外加并联电容,就可以使用较小的RG,以控制关断的dV/dt,这是一个比较优化的方法。当然,也可以使用增大CDS 的值,D、S 外加并联电容的方法来控制关断dV/dt,其缺点是会增加开通电流尖峰和di/dt。 如果功率MOSFET 流过的负载电流变化范围大,不外加元件,在关断过程中,dV/dt 和di/dt 也会在很大范围内变动,给系统的EMI和器件可靠性带来问题。 超结结构功率MOSFET 通常需要外加一些元件和栅极电阻相配合,件的开关速度,保持栅极驱动电路对器件关断过程的相关参数可控或部分可控,从而保证器件在极端条件下在可靠工作区工作,或满足EMI 要求。 栅极电阻低,开关速度更快,开关损耗更低,但会增加开关过程率MOSFET 的寄生电感和寄生电容所产生的VDS 尖峰电压,加剧栅极振荡,同时增加开通和关断过程中电压和电流上升的斜率dV/dt 和di/dt。反之,增加栅极电阻,会增加开关过程中的开通损耗和关断损耗,减小VDS 的尖峰电压,减小栅极振荡,同时降低在开通和关断过程中电压和电流上升的斜率dV/dt 和di/dt。 功率MOSFET 通常由PWM 或其他模式的IC 内部驱动源来驱动,为了提高关断速度,实现快速关断,降低关断损耗,提高系统效率,通常要尽可能降低栅极驱动电阻。由于IC 和功率MOSFET 栅极通常在PCB 上有一定距离,因此,在PCB 上会有一段引线,这条引线越长,引线电感越大,储存的能量越大,关断过程中容易导致栅极振荡,不仅会产生EMI 问题,还有可能在关断过程中关断并不完全,导致其误开通而损坏;同时,如果过高的振零尖峰大于VGS 最大额定值,也可能损坏栅极。因此,在很多AC-DC 电源、手机充电器以及适配器的驱动电路设计中,通常使用图4 的驱动电路,使用合适的开通和关断电阻,并使用栅极下拉PNP 管,以减小栅极和源极回路的引线 的驱动电路常用于驱动平面结构高压功率MOSFET,可以在各种性能之间取得非常好的平衡。但是,由于超结结构功率MOSFET 开关速度非常快,虽然使用这样的驱动电路效率更高,但是,会产生较大的dV/dt 和di/dt,从而对EMI 产生影响。采用AOD600A70R,其中,R1=150 Ω,R2=10 Ω,R3=10 kΩ,分别在输入120 V & 60 Hz、264 V & 50 Hz,输出11 V/4 A,44 W条件下测量关断波形,如图4 所示。 由于具有足够的空间,电视机的板上AC-DC 电源、电脑适配器等可以在实现快开关速度的同时,通过电路系统中的各路滤波器实现EMI 性能。而手机快速充电器内部空间极其有限,因此,无法通过周围滤波器保证EMI 性能。这种情况就需要优化驱动电路来改善系统性能。当然,对于AC-DC 电源、电脑适配器,优化驱动电路同样可以提高EMI 性能。 特性导致快速开关特性,可以通过外部栅极- 漏极、漏极- 源极并联电容来改善其非线的驱动电路中,外部并联栅极- 漏极电容为11 pF,然后测量关断波形。从图5 的波形可以看到,外部并联栅极- 漏极电容可以降低di/dt,但是对dV/dt 的影响很小。从EMI 的测量结果来看,无法达到系统要求。为了提高系统安全性,图中栅极- 漏极电容采用2 颗高压陶瓷电容串联,C1=C2=22 pF。 图5 的结果表明;栅极驱动速度仍然非常快,为了实现开关速度、开关损耗和EMI 结果的平衡,去掉栅极二极管和下拉PNP 管,为了能够控制关断dV/dt,漏极- 源极需要并联外部电容,如图6 所示。图6 的电路中加了1 个二极管,这样关断和开通可以使用不同的栅极电阻值,方便系统设计和调试优化;C1=C2=22 pF,C2=47 pF,R1=R2= 5.1 Ω,关断波形如图6 所示。 分别在输入120 V & 60 Hz、264 V & 50 Hz,输出11 V/4 A、44 W 条件下,使用图4 的驱动电路,测量相关辐射。测量结果如图7 所示,其结果或者超标,或者达不到系统的裕量要求。 超结结构功率MOSFET 的Coss 和Crss 电容更强烈的非线性导致更快的开关速度,产生EMI 的设计问题。去除常用的栅极下拉快速关断三极管,增加外部电容,超结结构功率MOSFET 的开关特性可以较好实现开关速度、开关损耗和EMI 的平衡。 江南官方体育app 上一篇:中国科学院:SiC MOSFET 下一篇:从砂子到芯片 - 芯片形成过程 |