超結(jié)高壓功率MOSFET驅(qū)動參數(shù)對開關(guān)特性的影響

劉松 劉瞻 艾結(jié)華 曹雪 張龍

新一代的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET中有一些在關(guān)斷的過程中溝道具有提前關(guān)斷的特性，因此，它們的關(guān)斷的特性不受柵極驅(qū)動電阻的控制，但是，并不是所有的超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET都具有這樣的特性，和它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單元尺寸以及電壓額定等多個因素相關(guān)。

超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET外圍驅(qū)動電路的設(shè)計，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(guān)速度，保持柵極驅(qū)動電路對器件關(guān)斷過程的相關(guān)參數(shù)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)，同時滿足系統(tǒng)的效率、溫升和EMI要求。

驅(qū)動電路設(shè)計的關(guān)鍵的控制參數(shù)有：

（1）外部串聯(lián)的柵極電阻(RG)；

（2）外部并聯(lián)的柵極、漏極的電容(Cgd)；

（3）外部并聯(lián)的漏極、源極的電容(Cds)。

（4）快速關(guān)斷的二極管和三極管。

（5）外部并聯(lián)的漏極、源極的電容(Cds).

柵極電阻低，開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低，但會增加開關(guān)過程中功率MOSFET的寄生電感和寄生電容所產(chǎn)生的VDS尖峰電壓，加劇柵極的振蕩，同時增加開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流上升的斜率dV/dt，di/dt。

反之，增加?xùn)艠O電阻，會增加開關(guān)過程中的開通損耗和關(guān)斷損耗，減小VDS的尖峰電壓，減小柵極的振蕩，同時降低在開通和關(guān)斷過程中，電壓和電流上升的斜率dV/dt，di/dt。

圖1: 超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET開關(guān)波形

因此，要基于實際的應(yīng)用和電路特性以及設(shè)計的要求，選擇合適的RG值。RG的最大值要保持功率MOSFET的開關(guān)損耗和溫升在設(shè)計的范圍內(nèi)，RG的最小值保證VDS的尖峰電壓，柵極的振蕩，dV/dt，di/dt在設(shè)計的范圍內(nèi)。

圖2、圖3和圖4展示了不同的外部參數(shù)對關(guān)斷過程中VDS的尖峰電壓，dV/dt和di/dt 的影響，外部并聯(lián)的柵極漏極的電容(Cgd)以及外部并聯(lián)的漏極源極的電容(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。

圖2：外部的柵極關(guān)斷電阻對關(guān)斷特性影響

圖3：外部并聯(lián)柵極源極電容對關(guān)斷特性影響

圖4：外部并聯(lián)漏極源極電容對關(guān)斷特性影響

超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率MOSFET外部驅(qū)動參數(shù)影響其開關(guān)的dV/dt和di/dt，從而影響器件的開關(guān)損耗以及相對應(yīng)的器件的效率和溫升和系統(tǒng)效率；另外也會影響系統(tǒng)的EMI和可靠性。這些要求往往相互間彼此矛盾和對立，因此，需要工程師做出優(yōu)化的處理，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。