超結高壓MOSFET驅動電路及EMI設計

2021-02-10 06:24:44劉松曹雪劉瞻張龍

電子產品世界 2021年6期

劉松曹雪劉瞻張龍

摘要：分析了超結結構功率MOSFET在開關過程中由于Coss和Crss電容更強烈的非線性產生更快開關速度的特性；給出了不同外部驅動參數對開關過程的dV/dt和di/dt的影響；列出了不同驅動電路開關波形及開關性能的變化。最后，設計了優化驅動電路，實現優化的EMI結果，并給出了相應驅動電路的EMI測試結果。

關鍵詞：超結；驅動；EMI；非線性

0 引言

近幾年，超結（Super Junction）結構高壓功率MOSFET 由于具有非常低的導通電阻（RDSON）和開關損耗，在各種電源系統中獲得越來越多的應用。超結結構通過降低內部晶胞單元的尺寸，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，對于超結結構高壓MOSFET，需要優化系統及驅動電路，從而在效率和EMI之間達到設計的平衡，滿足系統的要求。[1-4]

1 超結結構高壓功率MOSFET的開關特性

在開關過程中，平面功率MOSFET的dV/dt、di/dt完全由柵極驅動控制，通過調整外部的柵極電阻就可以控制系統的dV/dt和di/dt。，但是，超結結構功率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，柵極驅動電路的柵極電阻參數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，在硬開關電源結構中，可以提高系統的效率。

2 驅動參數的影響

驅動電路設計的關鍵的控制參數有：外部串聯的柵極電阻RG，外部并聯的柵極漏極電容Cgd，以及外部并聯的漏極源極電容Cds。

超結結構功率MOSFET的柵極驅動電阻值較小時，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。當柵極驅動電阻增加到較大值，di/dt開始部分受到驅動電路的限制，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，這是一個比較優化的方法。當然，也可以使用增大CDS的值，D、S外加并聯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也會在很大范圍內變動，給系統的EMI和器件可靠性帶來問題。

超結結構功率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，保持柵極驅動電路對器件關斷過程的相關參數可控或部分可控，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。

因此，要基于實際應用和電路特性以及設計要求選擇合適的RG值。RG的最大值要保持功率MOSFET開關損耗和溫升在設計范圍內，RG的最小值保證VDS的尖峰電壓、柵極振蕩、dV/dt和di/dt在設計范圍內。

圖3展示了不同的外部參數對關斷過程中VDS的尖峰電壓、dV/dt和di/dt的影響，外部并聯的柵極漏極電容Cgd以及外部并聯的漏極源極電容Cds，對于VDS的尖峰電壓以及dV/dt的影響和RG一樣具有相同的趨勢。

3 驅動電路的設計及EMI影響

功率MOSFET通常由PWM或其他模式的控制器IC內部驅動源來驅動，為了提高關斷速度，實現快速關斷，降低關斷損耗，提高系統效率，通常要盡可能降低柵極驅動電阻。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動電路設計中，通常使用圖4的驅動電路，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的驅動電路常用于驅動平面結構高壓功率MOSFET，可以在各種性能之間取得非常好的平衡。但是，由于超結結構功率MOSFET開關速度非常快，雖然使用這樣的驅動電路效率更高，但是，會產生較大的dV/dt和di/dt，從而對EMI產生影響。

采用AOD600A70R，其中，R1=150 ，R2=10 ， R3=10 k ，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。

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快開關速度的同時，通過電路系統中的各路濾波器實現EMI性能。而手機快速充電器內部空間極其有限，因此，無法通過周圍濾波器保證EMI性能。這種情況就需要優化驅動電路來改善系統性能。當然，對于AC-DC電源、電腦適配器，優化驅動電路同樣可以提高EMI性能。[5]

超結結構功率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-源極并聯電容來改善其非線性特性。在基于圖5的驅動電路中，外部并聯柵極-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的測量結果來看，無法達到系統要求。為了提高系統安全性，圖中柵極-漏極電容采用2顆高壓陶瓷電容串聯，C1=C2=22 pF。