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超結高壓MOSFET驅動電路及EMI設計

作者:劉松,曹雪,劉瞻,張龍(萬國半導體元件(深圳)有限公司,上海 200070)時間:2021-07-14來源:電子產品世界收藏
編者按: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。


本文引用地址:http://www.hifi-yinxiang.com/article/202107/426891.htm

0   引言

近幾年,(Super Junction)結構高壓功率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。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,這會帶來設計的問題及柵極振蕩。因此,對于結構高壓,需要優化系統及電路,從而在效率和 之間達到設計的平衡,滿足系統的要求。[1-4]

作者簡介:劉松,男,武漢人,碩士,現任職于萬國半導體元件有限公司應用中心總監,主要從事開關電源系統、電力電子系統和模擬電路的應用研究和開發工作。獲廣東省科技進步二等獎一項,發表技術論文60多篇。songliu@aosmd.com。

1   超結結構高壓功率的開關特性

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。

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圖1 功率MOSFET的工作波形

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 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。

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(a)外部柵極關斷電阻對關斷特性的影響

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(b)外部并聯柵極源極電容對關斷特性的影響

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(c)外部并聯漏極源極電容對關斷特性的影響

圖3 不同外部參數對MOSFET關斷特性的影響

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 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。

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(a)常用柵極驅動電路

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(b)關斷波形,120 V & 60 Hz

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(c)關斷波形,264 V & 50 Hz

圖4 常用柵極驅動電路及關斷波形

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。

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(a)外部并聯柵極-漏極電容驅動電路

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(b)關斷波形,120 V & 60 Hz

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(c)關斷波形,264 V & 50 Hz

圖5 外部并聯柵極-漏極電容驅動電路及關斷波形

圖5 的結果表明;柵極驅動速度仍然非常快,為了實現開關速度、開關損耗和EMI 結果的平衡,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,方便系統設計和調試優化;C1=C2=22 pF,C2=47 pF,R1=R2= 5.1 Ω,關斷波形如圖6 所示。

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(a)優化EMI的柵極驅動電路

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(b)關斷波形,120 V & 60 Hz

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(c) 關斷波形,264 V & 50 Hz

圖6 優化的柵極驅動電路及關斷波形

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 的驅動電路,測量相關輻射。測量結果如圖7 所示,其結果或者超標,或者達不到系統的裕量要求。

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(a)120 V & 60 Hz,水平

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(b)120 V & 60 Hz,垂直

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(c)264 V & 50 Hz,水平

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(d)264 V & 50 Hz,垂直

圖7 使用圖4驅動電路的EMI測試結果

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 的驅動電路,測量相關的輻射,測量結果如圖8 所示,這些結果都達到了系統裕量的要求。

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(a)120 V&60 Hz,水平

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(b)120 V & 60 Hz,垂直

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(c)264 V & 50 Hz,水平

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(d)264 V & 50 Hz,垂直

圖8 使用圖6驅動電路的EMI測試結果

4   結束語

超結結構功率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,超結結構功率MOSFET 的開關特性可以較好實現開關速度、開關損耗和EMI 的平衡。

參考文獻:

[1] 劉業瑞,劉松.超結結構的功率MOSFET輸出電容特性[J].電子產品世界,2020(8):82-84.

[2] 劉業瑞,劉松.功率MOSFET輸出電容的非線性特性[J].電子產品世界,2020(10):70-71.

[3] 劉松.再談米勒平臺和線性區:為什么傳統計算公式對超結MOSFET開關損耗無效[J].今日電子,2018(5):38-40.

[4] 劉松.超結型高壓功率MOSFET結構工作原理[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《電子產品世界》雜志2021年6月期)



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