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全新改进超级结 MOSFET

2013-05-24
Wonsuk Choi 与 Dongkook Son

 

超级结 MOSFET以其高开关速度和低开关损耗而著称,但如果印刷电路板 (PCB) 设计不好,则它们会产生负面影响,如增加电磁干扰(EMI)、栅极振荡和高峰漏源电压。 飞兆半导体设计了一种改进的超级结 MOSFET 结构,即SuperFET® II MOSFET,它可让设计人员降低电磁干扰(EMI),运行稳定,同时具有卓越的抗噪性能。

使用内部栅极电阻(Rg),减少栅极振荡

SuperFET II 器件结构值得关注的首要特点之一就是,它包含内部栅极电阻(Rg)。 内部栅极电阻(Rg)放置在栅极焊盘中,是真正的栅极,而非等效串联电阻。 它采用了优化的栅极电荷值,并在大电流条件下,控制 dv/dt和 di/dt 的开关。 由于栅极源两端的电压降将被外部和内部栅极电阻(Rg)分压,因此内部栅极电阻(Rg)会使栅极振荡大幅减少。

通过使用内部栅极电阻(Rg), 可以使用更小的外部栅极电阻(Rg),同时维持更高负载下的性能。 图 1 显示了功率因数校正 (PFC) 电路中关断瞬态下的 dv/ dt。 该电路中,VIN 为 100V 交流,PO 为 400W,栅极电阻(Rg)仅为 3.3mΩ。 SuperFET II 器件的 dv/dt 在满载时为 36 Vns,在 300W 负载时保持线性变化,但较小的栅极电阻(Rg)无法控制 300W 以上的超级结 MOSFET。

 

fig1

图 1. 功率因数校正 (PFC) 电路关断瞬态下测得的 dv/dt

振荡波形

与功率因数校正 (PFC) 电路相关联的寄生振荡可引起超级结 MOSFET 产生强振荡波形,如图 2 所示。

 

 

 

fig2图 2. 超级结 MOSFET 产生的振荡波形

图 3 显示了简化的功率因数校正 (PFC) 电路中的内部和外部寄生效应的来源,这可用于说明寄生振荡的产生。

 

电路经受内部和外部寄生效应。 内部寄生来自于与功率 MOSFET 相关联的电容(Cgs、 Cgd-int 和 Cds)和电感(Lg1、Ld1 和s1)。 外部寄生由印刷电路板 (PCB) 上的耦合电容(Cgd_ext)和电感(LG、LD 和 LS)组成。

 

 

fig3图 3. 突出显示内部和外部寄生的功率因数校正 (PFC) 电路

当 MOSFET 开启和关闭时,寄生栅极振荡发生在谐振电路,包括 Cgd_int、Cgd_ext、 Lg1 和 LG上。 在高开关速度或当MOSFET关闭时,MOSFET的振荡漏源电压通过C gd(因LD而产生),形成带有栅极电感 Lg1和LG的谐振电路。 由于栅极电阻非常小,振荡电路 Q( ) 变得很大,当谐振条件出现时,在该点和 Cgd 或 LG 与 Lg1 之间会产生大的振荡电压。

 

LS 与 Ls1 之间会出现压降,这可通过等式 1 来表示,该压降是由于关断瞬态下的负漏极电流造成的。

 

等式 1。

eqt1

栅极振荡

图 4 显示了在升压阶段功率因数校正 (PFC) 电路的性能。 黄线为栅极电压(VGS)。 超级结 MOSFET 产生超过 45 V 的峰值栅极振荡,这将导致过压闩锁以及无栅极信号。 使用 SuperFET II 器件,VCC 峰值电压会低得多(16V),从而可以防止任何闩锁问题。

fig4

图 4. 功率因数校正 (PFC) 电路的初始波形(VIN = 110 VAC,POUT = 300 W, VO = 380 V)

 

更优的电磁干扰 (EMI) 性能

超级结 MOSFET 的高开关速度可能会形成较高的电磁干扰 (EMI) 。 图 5 显示了 400W ATX 电源中的辐射电磁干扰 (EMI) 噪音。 SuperFET II MOSFET 具有介于 90 到 160MHz 之间的更低发射电平(dBµV), 读数极低,为 130MHz。

fig5

图5. ATX电源中的辐射电磁干扰(EMI)

结论

基于电荷平衡技术的超级结 MOSFET 可提供更低的导通电阻和寄生电容,但其使用效果可能不佳,因为它们会给系统带来不好的负面影响。 全新的飞兆半导体 SuperFET II MOSFET 技术使设计人员能够开发出在大电流条件下栅极振荡更低、电磁干扰 (EMI) 噪音更小、运行更稳定的下一代系统。