超級結（Super-Junction）MOSFET器件基于電荷平衡技術，在減少導通電阻和寄生電容兩方面提供了出色的性能，這通常需要折中權衡。有了較小的寄生電容，超級結MOSFET具有極快的開關特性并因此減少了開關損耗。自然地，這種快速開關特性伴有極高的dv/dt和di/dt，會通過器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開關性能。特別地，對于在現代高頻SMPS中使用的超級結MOSFET，很難抑制頻率噪聲和EMI輻射，同時實現高開關效率和低開關噪聲。此外，開關噪聲會導致某些意外的系統或器件失效，它們與柵氧化層擊穿、dv/dt衰減和控制信號中的閂鎖效應問題相關，因為在各種異常狀況中，例如啟動狀態(tài)、過載狀況和并聯工作，會發(fā)生嚴重的柵極振蕩和高開關dv/dt.為實現低開關噪聲，需要使用高值寄生電容或柵電阻。根據最近的系統發(fā)展趨勢，改進效率是一個關鍵目標；然而，只為降低開關噪聲而使用慢速開關器件不是最佳解決方案。憑借SuperFET II MOSFET的優(yōu)化設計，新一代超級結MOSFET SuperFET II器件實現了快速開關和低開關噪聲，在應用中達到了高效率和低EMI.

SuperFET II MOSFET技術

眾所周知，超級結MOSFET的高開關速度自然有利于減少開關損耗，但它也帶來了負面影響，例如增加了EMI、柵極振蕩、高峰值漏源電壓。在柵極驅動設計中，一個關鍵的控制參數就是外部串聯柵電阻（Rg）。這會抑制峰值漏-源電壓，并防止由功率MOSFET的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴。該器件還在導通和關閉過程期間降低電壓上升速率（dv/dt）和電流上升速率（di/dt）。但Rg也會影響MOSFET的開關損耗。因為器件必須在目標應用上達到最高效率，控制這些損耗是重要的。因此從應用的觀點出發(fā)，選擇正確的Rg值是非常重要的。SuperFET II MOSFET使用了集成柵電阻，它不是等效串聯電阻（equivalent series resistor，ESR），只是柵電阻，置于柵極焊盤中，以便減少柵極振蕩和控制大電流條件下的開關dv/dt與di/dt.集成柵電阻數值采用柵電荷來優(yōu)化。器件的真實柵極中，VGS的柵極振蕩（Vb）顯著減少了，因為柵-源端的電壓降由內部Rg和外部Rg來分擔。反向傳輸電容Cgd是影響開關期間的電壓上升和下降時間的主要的參數之一。Cgd提供了來自漏電壓的負反饋作用，它必須由通過Rg的柵極驅動電流來放電。振蕩與幾個原因有關，例如高的開關dv/dt和di/dt、寄生Cgd和漏極電流值。SuperFET II MOSFET的柵極電荷已優(yōu)化，用于改進開關效率和開關噪聲之間的折中權衡。圖1顯示了在關斷瞬態(tài)期間，在相同驅動條件下，從100W至400W的PFC電路中，比較快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET之后，實際MOSFET的dv/dt.關斷dv/dt呈線性上升，對于小的柵電阻（3.3Ω），快速超級結MOSFET顯示了在PFC電路中dv/dt不受控制。相比快速超級結MOSFET，SuperFET II MOSFET減少了關斷dv/dt的增加，但在300W負載條件下仍然呈線性增加。在滿負載條件下，dv/dt可控制在36V/ns，相比快速超級結MOSFET，dv/dt減少了約30.8%.

圖1在關斷瞬態(tài)期間，PFC電路中快速SJ MOSFET和SuperFET II MOSFET的dv/dt測量比較（VIN=100Vac，PO=400W，Rg=3.3Ω）

超級結MOSFET的寄生振蕩機制

超級結MOSFET的Coss曲線是高度非線性的。當超級結MOSFET作為開關器件用于PFC或DC/DC轉換器時，這些影響將會產生極快的dv/dt和di/dt以及電壓和電流振蕩。圖2顯示了觀察到的PFC電路中的振蕩波形，它們出現在超級結MOSFET關斷瞬態(tài)期間。從一般的觀點來看，有幾種振蕩電路會影響MOSFET的開關性能，包括內部和外部振蕩電路。圖3顯示了簡化的PFC電路原理圖，包括內部寄生參數，這是由功率MOSFET本身的寄生電容Cgs、Cgd_int.和Cds與寄生電感Lg1、Ld1和Ls1，以及外部振蕩電路，由外部耦合電容Cgd_ext.和線路板布局的寄生電感LG、LD和LS帶來。寄生元件更多地涉及到開關特性，因為開關速度變得更快。當MOSFET導通和關斷時，會在諧振電路中產生柵極寄生振蕩，該諧振電路由內部和外部柵-漏電容Cgd_int.和Cgd_ext.以及柵電感Lg1和LG組成。當MOSFET開關速度變快時，尤其在它關斷時，由于寄生電感LD，MOSFET漏-源中的振蕩電壓會經過柵-漏電容Cgd，并形成了包含柵電感Lg1和LG的諧振電路。由于柵電阻極小，振蕩電路Q（）變大，當諧振條件出現時，在那個地方和Cgd或LG、Lg1之間產生了大振蕩電壓，并引起了寄生振蕩。此外，LS和Ls1兩端的電壓降可由公式（1）表示，它由關斷瞬態(tài)期間的負漏極電流引起。雜散源極電感LS和Ls1兩端的電壓降在柵-源電壓上產生了振蕩。寄生振蕩會引起嚴重的EMI問題、大的開關損耗、柵-源擊穿、柵極失控，甚至導致MOSFET失效。

（1）

圖2使用超級結MOSFET，PFC電路中的嚴重振蕩波形

圖3 PFC電路的簡化原理圖與功率MOSFET的內部和外部寄生現象

SuperFET II MOSFET的應用益處

實驗結果證實，在PFC電路中SuperFET II MOSFET能夠穩(wěn)定運行并具有更好的EMI結果。測量在PFC升壓電路中進行，在AC開/關測試期間，輸入電壓VIN=110VAC和輸出功率水平Pout=300W相同。圖4顯示了啟動時在柵極振蕩VGS（黃線）中，快速超級結MOSFET和SuperFET II MOSFET之間的波形比較差異。對于快速超級結MOSFET，產生的高峰值柵極振蕩超過45V.它會引起過電壓閂鎖（latch-up）效應，最后導致功率MOSFET的柵極信號缺失，如圖4（a）所示。使用如圖4（b）所示的SuperFET II MOSFET，峰值Vcc電壓急劇下降到16V，并且消除了閂鎖效應。如果輸出功率水平增加或在相同的輸出功率上輸入電壓降低，這種振蕩效應會強制發(fā)生。在AC線路電壓掉落后，該效應也會發(fā)生，當線路電壓恢復時，升壓級可為大電容充電至標稱電壓。在此期間，當MOSFET關斷時，漏極電流是相當高的。漏極電流會轉向MOSFET的輸出電容Coss并為其充電至DC母線電壓。電壓斜率與負載電流成正比，且與輸出電容值成反比。因為周圍所有的寄生電容，高dv/dt值導致了電容性轉移電流。連同所有的布局和寄生電感與電容，形成了LC振蕩電路，僅由內部Rg來衰減。在某些條件下，例如在輸入電壓瞬態(tài)或短路情況下，會出現高di/dt和dv/dt，這會導致異常開關行為或最差的器件損壞情況。然而，采用優(yōu)化的SuperFET II MOSFET，有助于改進效率并實現穩(wěn)定工作。

（a）快速超級結MOSFET（b）SuperFET II MOSFET

圖4 PFC電路中啟動狀態(tài)期間的波形比較

（VIN=110VAC，POUT=300W，VO=380V，600V/190mΩSJ MOSFET）

在400W ATX電源中驗證了SuperFET II MOSFET的EMI性能。圖5顯示了用作PFC開關的快速超級結MOSFET和SuperFET II MOSFET的EMI噪聲輻射測量結果。由于SuperFET II MOSFET的軟開關特性，SuperFET II MOSFET可以減小峰值漏-源電壓、峰值dv/dt和柵極振蕩。通過使用SuperFET II MOSFET，在90MHz至160MHz的頻率范圍內，輻射水平（dBμV）變得更低。特別需要指出，相比快速超級結MOSFET，SuperFET II MOSFET在130MHz的輻射水平低于9～10dBμV，如圖5（b）所示。

（a）快速超級結MOSFET

（b）SuperFET II MOSFET圖5在VIN=110Vac，Po=400W下，在ATX電源中測得的EMI輻射

結論

隨著功率MOSFET技術更加先進，超級結MOSFET帶來了更小的芯片尺寸和更高效率的性能。具有極快開關速度的超級結MOSFET是實現較高效率的基本選擇，但相比先前數代產品，難以控制。新型超級結MOSFET，即SuperFET II MOSFET能夠優(yōu)化開關性能，在啟動或過載狀況最大化使用了開關性能等大電流運行中減少柵極振蕩、EMI噪聲并改進穩(wěn)定工作。

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