超結(jié)高壓MOSFET驅(qū)動電路及EMI設計
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通電阻(RDSON) 和開關損耗,在各種電源系統(tǒng)中獲得越來越多的應用。超結(jié)結(jié)構(gòu)通過降低內(nèi)部晶胞單元的尺寸,采用非常高的單元密度,大幅降低了導通電阻和硅片面積,節(jié)省成本。硅片面積的降低也會導致器件的各種寄生電容降低,器件開關速度更快,開關損耗減小,進一步提高系統(tǒng)的效率。
但是,器件過低的寄生電容導致開關速度過快,開關過程中產(chǎn)生過大的dV/dt 和di/dt,這會帶來EMI設計的問題及柵極振蕩。因此,對于超結(jié)結(jié)構(gòu)高壓MOSFET,需要優(yōu)化系統(tǒng)及驅(qū)動電路,從而在效率和EMI 之間達到設計的平衡,滿足系統(tǒng)的要求。[1-4]
作者簡介:劉松,男,武漢人,碩士,現(xiàn)任職于萬國半導體元件有限公司應用中心總監(jiān),主要從事開關電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應用研究和開發(fā)工作。獲廣東省科技進步二等獎一項,發(fā)表技術論文60多篇。songliu@aosmd.com。
1 超結(jié)結(jié)構(gòu)高壓功率MOSFET的開關特性
在開關過程中,平面功率MOSFET 的dV/dt、di/dt完全由柵極驅(qū)動控制,通過調(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)動電路的柵極電阻參數(shù)不能有效控制其開關特性,如VDS 電壓的變化率主要受輸出電容Coss 和負載電流控制。
如果超結(jié)功率MOSFET 想用RG 控制關斷的dV/dt,RG 必須增加到非常大的值,這又會導致開關速度非常慢,增加開關損耗和延時開關。圖1 展示了功率MOSFET柵極驅(qū)動電阻值非常小的工作波形,從波形可以看到,關斷的VDS 和ID 波形的交錯區(qū)域非常小,類似于零電壓開關ZVS 的關斷模式,因此關斷損耗非常小,在硬開關電源結(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)動參數(shù)的影響
驅(qū)動電路設計的關鍵的控制參數(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)動電阻值較小時,dV/dt 主要受輸出電容Coss 和最大負載電流的限制;隨著負載電流的上升,di/dt 以非常快的速度上升,在大負載電流時,主要受外部寄生電感和外部應用電路的限制。當柵極驅(qū)動電阻增加到較大值,di/dt 開始部分受到驅(qū)動電路的限制,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,以控制關斷的dV/dt,這是一個比較優(yōu)化的方法。當然,也可以使用增大CDS 的值,D、S 外加并聯(lián)電容的方法來控制關斷dV/dt,其缺點是會增加開通電流尖峰和di/dt。
如果功率MOSFET 流過的負載電流變化范圍大,不外加元件,在關斷過程中,dV/dt 和di/dt 也會在很大范圍內(nèi)變動,給系統(tǒng)的EMI 和器件可靠性帶來問題。
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,控制器件的開關速度,保持柵極驅(qū)動電路對器件關斷過程的相關參數(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,開關速度更快,開關損耗更低,但會增加開關過程中功率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,同時增加開通和關斷過程中電壓和電流上升的斜率dV/dt 和di/dt。反之,增加柵極電阻,會增加開關過程中的開通損耗和關斷損耗,減小VDS 的尖峰電壓,減小柵極振蕩,同時降低在開通和關斷過程中電壓和電流上升的斜率dV/dt 和di/dt。
(a)外部柵極關斷電阻對關斷特性的影響
(b)外部并聯(lián)柵極源極電容對關斷特性的影響
(c)外部并聯(lián)漏極源極電容對關斷特性的影響
圖3 不同外部參數(shù)對MOSFET關斷特性的影響
3 驅(qū)動電路的設計及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)動源來驅(qū)動,為了提高關斷速度,實現(xiàn)快速關斷,降低關斷損耗,提高系統(tǒng)效率,通常要盡可能降低柵極驅(qū)動電阻。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 上會有一段引線,這條引線越長,引線電感越大,儲存的能量越大,關斷過程中容易導致柵極振蕩,不僅會產(chǎn)生EMI 問題,還有可能在關斷過程中關斷并不完全,導致其誤開通而損壞;同時,如果過高的振零尖峰大于VGS 最大額定值,也可能損壞柵極。因此,在很多AC-DC 電源、手機充電器以及適配器的驅(qū)動電路設計中,通常使用圖4 的驅(qū)動電路,使用合適的開通和關斷電阻,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)動電路常用于驅(qū)動平面結(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 開關速度非???,雖然使用這樣的驅(qū)動電路效率更高,但是,會產(chǎn)生較大的dV/dt 和di/dt,從而對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條件下測量關斷波形,如圖4 所示。
(a)常用柵極驅(qū)動電路
(b)關斷波形,120 V & 60 Hz
(c)關斷波形,264 V & 50 Hz
圖4 常用柵極驅(qū)動電路及關斷波形
由于具有足夠的空間,電視機的板上AC-DC 電源、電腦適配器等可以在實現(xiàn)快開關速度的同時,通過電路系統(tǒng)中的各路濾波器實現(xiàn)EMI 性能。而手機快速充電器內(nèi)部空間極其有限,因此,無法通過周圍濾波器保證EMI 性能。這種情況就需要優(yōu)化驅(qū)動電路來改善系統(tǒng)性能。當然,對于AC-DC 電源、電腦適配器,優(yōu)化驅(qū)動電路同樣可以提高EMI 性能。[5]
超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 的Coss 和Crss 強烈的非線性特性導致快速開關特性,可以通過外部柵極- 漏極、漏極- 源極并聯(lián)電容來改善其非線性特性。在基于圖5的驅(qū)動電路中,外部并聯(lián)柵極- 漏極電容為11 pF,然后測量關斷波形。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dV/dt 的影響很小。從EMI 的測量結(jié)果來看,無法達到系統(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)動電路
(b)關斷波形,120 V & 60 Hz
(c)關斷波形,264 V & 50 Hz
圖5 外部并聯(lián)柵極-漏極電容驅(qū)動電路及關斷波形
圖5 的結(jié)果表明;柵極驅(qū)動速度仍然非常快,為了實現(xiàn)開關速度、開關損耗和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 個二極管,這樣關斷和開通可以使用不同的柵極電阻值,方便系統(tǒng)設計和調(diào)試優(yōu)化;C1=C2=22 pF,C2=47 pF,R1=R2= 5.1 Ω,關斷波形如圖6 所示。
(a)優(yōu)化EMI的柵極驅(qū)動電路
(b)關斷波形,120 V & 60 Hz
(c) 關斷波形,264 V & 50 Hz
圖6 優(yōu)化的柵極驅(qū)動電路及關斷波形
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)動電路,測量相關輻射。測量結(jié)果如圖7 所示,其結(jié)果或者超標,或者達不到系統(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)動電路的EMI測試結(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)動電路,測量相關的輻射,測量結(jié)果如圖8 所示,這些結(jié)果都達到了系統(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)動電路的EMI測試結(jié)果
4 結(jié)束語
超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 的Coss 和Crss 電容更強烈的非線性導致更快的開關速度,產(chǎn)生EMI 的設計問題。去除常用的柵極下拉快速關斷三極管,增加外部電容,超結(jié)結(jié)構(gòu)功率MOSFET 的開關特性可以較好實現(xiàn)開關速度、開關損耗和EMI 的平衡。
參考文獻:
[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.再談米勒平臺和線性區(qū):為什么傳統(tǒng)計算公式對超結(jié)MOSFET開關損耗無效[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,孫國營.快充次級同步整流MOSFET對EMI輻射干擾的影響[J].今日電子,2017(8) :32-33.
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期)
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