超結(jié)高壓功率MOSFET的零電壓ZVS關(guān)斷特性

1、功率MOSFET常規(guī)的開關(guān)特性

功率MOSFET在開通的過程中，當(dāng)VGS的驅(qū)動電壓從VTH上升到米勒平臺VGP時(shí)間段t1-t2，漏極電流ID從0增加系統(tǒng)的最大的電流，VGS和ID保持由跨導(dǎo)GFS所限制的傳輸特性曲線的關(guān)系，而VDS的電壓保持不變，這一個(gè)時(shí)間區(qū)域稱為di/dt，主要由柵極總電阻RG和Ciss電容所控制。其中，米勒平臺VGP的電壓由跨導(dǎo)GFS和負(fù)載電流所決定。

圖1：功率MOSFET在開通的過程

功率MOSFET進(jìn)入米勒平臺后，在t2-t3期間，VGS的電壓保持米勒平臺VGP不變，漏極電流ID保持系統(tǒng)的最大的電流不變，VDS電壓從最大的輸入電壓下降到0，這一個(gè)時(shí)間區(qū)域稱為dV/dt，主要由柵極電阻RG和Crss電容所控制。

在這二段時(shí)間內(nèi)，VDS電壓和ID電流具有交疊，因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。和平面技術(shù)相比，超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET開通過程中不同的地方在于：VDS電壓從最大的輸入電壓下降到0的時(shí)間，小于米勒平臺時(shí)間，因此，用米勒平臺時(shí)間計(jì)算開關(guān)損耗，會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的開關(guān)損耗。

另外，對于關(guān)斷的過程，特別是新一代的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，在一定的范圍內(nèi)，dV/dt、di/dt已經(jīng)不受柵極驅(qū)動電路的控制，通過調(diào)整外部的柵極電阻，不能控制系統(tǒng)的dV/dt、di/dt。

2、超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET零電壓ZVS關(guān)斷特性

通常，功率MOSFET的關(guān)斷特性受柵極串聯(lián)的電阻和Crss的控制，但是，新一代超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率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(shí)電容又變得非常大，如果使用柵極電阻值比較小，最終導(dǎo)致關(guān)斷過程和傳統(tǒng)的模式具有不同的特性；而且，有些超結(jié)功率MOSFET的Coss會出現(xiàn)滯洄特性，以后文章會講述這個(gè)問題。

關(guān)斷過程中，VDS的斜率為：

在米勒平臺處，dVDS/dt= dVGD/dt，CGD中產(chǎn)生的電流和柵極電阻RG的電流分別為：

其中，CDS為D、S極之間Coss和外加的電容總和；

CGD為G、D極之間Crss和外加的電容總和；

RG為柵極內(nèi)部和外串的電阻總和；

VP為米勒平臺電壓。

關(guān)斷過程中，當(dāng)柵極驅(qū)動電阻值比較小，柵極放電的電流比較大，柵極電壓VGS下降的速度非常快。通常情況下，米勒平臺維持平臺電壓時(shí)， dVDS/dt在CGD中產(chǎn)生的電流應(yīng)該等于柵極電阻的電流：

圖2：關(guān)斷過程中米勒平臺狀態(tài)的電流

新一代超結(jié)功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，從米勒平臺開始，VDS電壓從0開始上升，但是VDS在0V以及較低的電壓值時(shí)，超結(jié)功率MOSFET的輸出電容Coss非常非常大，負(fù)載電流對電容CDS充電的速度非常慢，VDS的電壓上升非常慢，dVDS/d非常低，就會導(dǎo)致VDS電壓的變化提供給CGD的電流小于流過柵極驅(qū)動電阻的電流：

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流的原理，Ciss電容必須放電，維持節(jié)點(diǎn)電流的平衡，因此，VGS會快速的下降，導(dǎo)致功率MOSFET溝道快速的完全關(guān)斷，溝道電流為0，而VDS電壓仍然維持非常低的值；然后，幾乎全部的負(fù)載電流繼續(xù)對輸出電容CDS充電。

因此，這種開關(guān)特性和常規(guī)的關(guān)斷過程的機(jī)制不同，柵極驅(qū)動電路的柵極電阻參數(shù)，不能有效控制VDS電壓的變化率，VDS電壓的變化率主要受輸出電容CDS和負(fù)載電流控制。

由上述公式，超結(jié)功率MOSFET溝道提前關(guān)斷的條件為：

電容CGD和米勒平臺電壓也影響VDS電壓變化。

由上面的公式，可以的到：

（1）、新一代超結(jié)功率MOSFET如果想用RG控制關(guān)斷的dV/dt，RG必須增加到非常大的值，這又會導(dǎo)致開關(guān)的速度非常慢，增加開關(guān)損耗和延時(shí)開關(guān)。

（2）、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，來控制關(guān)斷的dV/dt，這樣一個(gè)比較優(yōu)化的方法。

（3）、增大CDS的值，D、S外加并聯(lián)電容方法來控制關(guān)斷的dV/dt，其缺點(diǎn)是會增加開通的電流尖峰和dI/dt。

如果功率MOSFET流過的負(fù)載電流變化的范圍大，不外加元件，在關(guān)斷過程中，dV/dt、di/dt也會在很大的范圍內(nèi)變動，對對系統(tǒng)的EMI和器件可靠性帶來問題。

另外可以發(fā)現(xiàn)，超結(jié)功率MOSFET關(guān)斷的特性，非常接近于零電壓開關(guān)ZVS的關(guān)斷模式，就是VDS電壓和ID電流具有交疊的時(shí)間非常短，圖3展示了功率MOSFET的柵極驅(qū)動電阻值非常小的工作波形，從波形可以看到，關(guān)斷的VDS和ID波形的交錯區(qū)域非常小，類似于零電壓開關(guān)ZVS的關(guān)斷模式，因此關(guān)斷損耗非常小，在硬開關(guān)的電源結(jié)構(gòu)中，可以提高系統(tǒng)的效率。

當(dāng)然，如果超結(jié)功率MOSFET的Coss具有滯洄特性，那么，相應(yīng)的開關(guān)損耗就會產(chǎn)生滯洄損耗的特性，以后再講述這個(gè)問題。

圖3：功率MOSFET的柵極驅(qū)動電阻值非常小的工作波形

3、總結(jié)

新一代的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET的柵極驅(qū)動電阻值較小時(shí)，dV/dt主要受輸出電容Coss和最大的負(fù)載電流的限制；di/dt隨著負(fù)載電流的上升，以非常快的速度上升，在大的負(fù)載電流時(shí)，主要受外部的寄生電感和外部應(yīng)用電路的限制。當(dāng)柵極驅(qū)動電阻增加到非常大的值時(shí)，dV/dt開始部分受到驅(qū)動電路的限制，di/dt情況也基本類似。

新一代的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET通常需要外加電容和柵極電阻相配合，控制器件的開關(guān)速度，保持柵極驅(qū)動電路的電阻對器件關(guān)斷過程的dV/dt、di/dt的可控或部分的可控，從而保證器件在極端的條件下工作在可靠的工作區(qū)，或滿足系統(tǒng)EMI要求。