采用电荷平衡理论的超结器件能够显著减少高压MOSFET的导通电阻，由于导通损耗与导通电阻成正比，导通损耗方面具有很大的优势。开关转换时段越短，开关功率损耗越低。由于MOSFET是单极器件，寄生电容是开关转换的唯一限制因素，若要降低开关损耗，需要降低寄生电容。

 

超结MOSFET的输入电容和米勒电容都显著降低，输出电容曲线相差不大，差别主要是更高的非线性程度，平面MOSFET与超结MOSFET的电容曲线对比如下图所示：

 

图1：平面MOSFET与超结MOSFET电容比较

 

超结MOSFET的CISS电容的线性基本保持，CRSS和COSS表现出很强的非线性，CRSS在约10V漏源极电压处迅速降低，电容非线性导致极强dｖ/dｔ与dｉ/dｔ。快速开关降低开关损耗，同时也有负面效应，增加EMI风险、栅极振荡、较高的漏源极电压峰值，控制最大开关速度对于获取不带负面效应的超极结MOSFET极端性能来说非常的重要。

 

1、栅极电阻的影响分析

 

栅极驱动设计中的一个关键控制参数为外部串联的栅极电阻（RG），栅极电阻能够抑制漏源极峰值电压并能够防止功率MOSFET中导线电感和寄生电容产生的栅极振荡。还能够在导通和关断期间减缓电压和电流上升速度（dｖ/dｔ）和（dｉ/dｔ）。

 

RG的选择优化非常重要，RG值过小会造成MOSFET开关关闭时漏源极间的dｖ/dｔ过高；RG值过大会增加损耗，并降低效率，根据器件选型选择合适的RG参数非常重要。    

 

图2：栅极电阻与导通能量损耗（Eon）

 

图3：栅极电阻与关断能量损耗（E off）

 

2、驱动IC电流驱动能力的影响

 

驱动器是控制电路和功率MOSFET之间的接口，驱动电路放大控制信号至所需要电平，驱动器的主要功能是控制MOSFET的开关状态，高功率应用中需要峰值电流，能为寄生电容快速充放电，从而提高MOSFET的开关效率，开关动作和功率耗散取决于输出驱动器的电流能力，而MOSFET栅源极介于阀值电平和米勒效应平台电压之间。    

 

图4：不同串联电阻对损耗的影响（IC驱动能力较小时）

 

3、源极寄生电感的影响

 

MOSFET源极寄生电感LS值较低时，尽管由于快速转换速度导致栅源极负电压和漏源极过冲电压会稍高，其关断损耗和栅极振荡都较低。MOSFET源极寄生电感LS值较高时，关断损耗和栅极振荡也较高。

 

超结MOSFET的极快开关速度可能导致开关过程中出现严重的电压和电流振荡，在实际应用中，主要包括元件引脚寄生电感、PCB布线寄生电感、振荡问题通常受控于杂散电感、而非杂散电容，尤其是在中低压电源中，减小开关振荡的最佳方式是最大限度地减少电感。    

 

图5：LS值较低时VGS振荡波形与LS值较高时VGS振荡波形对比

 

图6：LS值对VDS和ID波形的影响

 

4、器件封装寄生效应    

 

图7：插件MOSFET引脚寄生电感

 

封装对性能的影响有限，是因为内部栅极和源极焊接导线长度是固定的，而引线长度可以改变，以减少封装的源电感，MOSFET封装引线电感典型值为10nH。影响MOSFET开关过程产生寄生振荡的条件除外部布线的寄生电感、MOSFET寄生电容产生的寄生振荡之外，MOSFET内部Bonding线寄生电感、插件MOSFET引线寄生电感、与MOSFET引脚寄生电容也是产生寄生振荡的重要原因。

 

图8：Boost PFC MOSFET内外部寄生参数等效图    

 

MOSFET开关速度提高时，MOSFET的漏源极产生振荡电压，原因是漏极引线寄生电感LD产生的。MOSFET关断时，漏源电压VDS免通过漏极寄生电感LD、CGD电容、栅极寄生电感LG形成振荡回路(理想情况下)。实际应用中寄生参数包括MOSFET管内部的寄生电感LG1、LD1、CGD(内部)、CGD(外部)、LD寄生电感构成的振荡回路。

 

栅极电阻很小时，振荡电路Q值变得很大，CGD和LG1之间产生很大的振荡电压，产生寄生振荡。由关断瞬间的漏极负电流，在LS和LS1电感上产生压降，并通过栅源电压产生振荡，寄生振荡导致栅源极击穿电压、EMI恶化、较大的开关损耗，严重导致MOSFET失效。

 

 

来源：风陵渡口话EMC

关键词： MOSFET