超结高压功率MOSFET的零电压ZVS关断特性

geren2014

1、功率MOSFET常规的开关特性

功率MOSFET在开通的过程中，当VGS的驱动电压从VTH上升到米勒平台VGP时间段t1-t2，漏极电流ID从0增加系统的最大的电流，VGS和ID保持由跨导GFS所限制的传输特性曲线的关系，而VDS的电压保持不变，这一个时间区域称为di/dt，主要由栅极总电阻RG和Ciss电容所控制。其中，米勒平台VGP的电压由跨导GFS和负载电流所决定。

图1：功率MOSFET在开通的过程

功率MOSFET进入米勒平台后，在t2-t3期间，VGS的电压保持米勒平台VGP不变，漏极电流ID保持系统的最大的电流不变，VDS电压从最大的输入电压下降到0，这一个时间区域称为dV/dt，主要由栅极电阻RG和Crss电容所控制。

在这二段时间内，VDS电压和ID电流具有交叠，因此产生开关损耗。和平面技术相比，超结结构的功率MOSFET开通过程中不同的地方在于：VDS电压从最大的输入电压下降到0的时间，小于米勒平台时间，因此，用米勒平台时间计算开关损耗，会远远大于实际的开关损耗。

另外，对于关断的过程，特别是新一代的超结结构的功率MOSFET，在一定的范围内，dV/dt、di/dt已经不受栅极驱动电路的控制，通过调整外部的栅极电阻，不能控制系统的dV/dt、di/dt。

2、超结结构的功率MOSFET零电压ZVS关断特性

通常，功率MOSFET的关断特性受栅极串联的电阻和Crss的控制，但是，新一代超结结构的功率MOSFET栅极电荷、Coss和Crss的非线性特性增加，在高压下电容变得非常小，在低压时电容又变得非常大，如果使用栅极电阻值比较小，最终导致关断过程和传统的模式具有不同的特性；而且，有些超结功率MOSFET的Coss会出现滞洄特性，以后文章会讲述这个问题。

关断过程中，VDS的斜率为：

在米勒平台处，dVDS/dt= dVGD/dt，CGD中产生的电流和栅极电阻RG的电流分别为：

其中，CDS为D、S极之间Coss和外加的电容总和；

CGD为G、D极之间Crss和外加的电容总和；

RG为栅极内部和外串的电阻总和；

VP为米勒平台电压。

关断过程中，当栅极驱动电阻值比较小，栅极放电的电流比较大，栅极电压VGS下降的速度非常快。通常情况下，米勒平台维持平台电压时， dVDS/dt在CGD中产生的电流应该等于栅极电阻的电流：

图2：关断过程中米勒平台状态的电流

新一代超结功率MOSFET关断时，从米勒平台开始，VDS电压从0开始上升，但是VDS在0V以及较低的电压值时，超结功率MOSFET的输出电容Coss非常非常大，负载电流对电容CDS充电的速度非常慢，VDS的电压上升非常慢，dVDS/d非常低，就会导致VDS电压的变化提供给CGD的电流小于流过栅极驱动电阻的电流：

根据节点电流的原理，Ciss电容必须放电，维持节点电流的平衡，因此，VGS会快速的下降，导致功率MOSFET沟道快速的完全关断，沟道电流为0，而VDS电压仍然维持非常低的值；然后，几乎全部的负载电流继续对输出电容CDS充电。

因此，这种开关特性和常规的关断过程的机制不同，栅极驱动电路的栅极电阻参数，不能有效控制VDS电压的变化率，VDS电压的变化率主要受输出电容CDS和负载电流控制。

由上述公式，超结功率MOSFET沟道提前关断的条件为：

电容CGD和米勒平台电压也影响VDS电压变化。

由上面的公式，可以的到：

（1）、新一代超结功率MOSFET如果想用RG控制关断的dV/dt，RG必须增加到非常大的值，这又会导致开关的速度非常慢，增加开关损耗和延时开关。

（2）、增大CGD的值，也就是G、D外加并联电容，就可以使用较小的RG，来控制关断的dV/dt，这样一个比较优化的方法。

（3）、增大CDS的值，D、S外加并联电容方法来控制关断的dV/dt，其缺点是会增加开通的电流尖峰和dI/dt。

如果功率MOSFET流过的负载电流变化的范围大，不外加元件，在关断过程中，dV/dt、di/dt也会在很大的范围内变动，对对系统的EMI和器件可靠性带来问题。

另外可以发现，超结功率MOSFET关断的特性，非常接近于零电压开关ZVS的关断模式，就是VDS电压和ID电流具有交叠的时间非常短，图3展示了功率MOSFET的栅极驱动电阻值非常小的工作波形，从波形可以看到，关断的VDS和ID波形的交错区域非常小，类似于零电压开关ZVS的关断模式，因此关断损耗非常小，在硬开关的电源结构中，可以提高系统的效率。

当然，如果超结功率MOSFET的Coss具有滞洄特性，那么，相应的滞洄损耗的特性，以后再讲述这个问题。

图3：功率MOSFET的栅极驱动电阻值非常小的工作波形

3、总结

新一代的超结结构的功率MOSFET的栅极驱动电阻值较小时，dV/dt主要受输出电容Coss和最大的负载电流的限制；di/dt随着负载电流的上升，以非常快的速度上升，在大的负载电流时，主要受外部的寄生电感和外部应用电路的限制。当栅极驱动电阻增加到非常大的值时，dV/dt开始部分受到驱动电路的限制，di/dt情况也基本类似。

新一代的超结结构的功率MOSFET通常需要外加电容和栅极电阻相配合，控制器件的开关速度，保持栅极驱动电路的电阻对器件关断过程的dV/dt、di/dt的可控或部分的可控，从而保证器件在极端的条件下工作在可靠的工作区，或满足系统EMI要求。