超结高压MOSFET驱动电路及EMI设计

作者：刘松，曹雪，刘瞻，张龙（万国半导体元件(深圳)有限公司，上海 200070）时间：2021-07-14来源：电子产品世界收藏

编者按：分析了超结结构功率MOSFET在开关过程中由于Coss和Crss电容更强烈的非线性产生更快开关速度的特性；给出了不同外部驱动参数对开关过程的dV/dt和di/dt的影响；列出了不同驱动电路开关波形及开关性能的变化。最后，设计了优化驱动电路，实现优化的EMI结果，并给出了相应驱动电路的EMI测试结果。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202107/426891.htm

0 引言

近几年，超结（Super Junction）结构高压功率MOSFET由于具有非常低的导通电阻(RDSON) 和开关损耗，在各种电源系统中获得越来越多的应用。超结结构通过降低内部晶胞单元的尺寸，采用非常高的单元密度，大幅降低了导通电阻和硅片面积，节省成本。硅片面积的降低也会导致器件的各种寄生电容降低，器件开关速度更快，开关损耗减小，进一步提高系统的效率。

但是，器件过低的寄生电容导致开关速度过快，开关过程中产生过大的dV/dt 和di/dt，这会带来EMI设计的问题及栅极振荡。因此，对于超结结构高压MOSFET，需要优化系统及驱动电路，从而在效率和EMI 之间达到设计的平衡，满足系统的要求。^[1-4]

作者简介：刘松，男，武汉人，硕士，现任职于万国半导体元件有限公司应用中心总监，主要从事开关电源系统、电力电子系统和模拟电路的应用研究和开发工作。获广东省科技进步二等奖一项，发表技术论文60多篇。songliu@aosmd.com。

1 超结结构高压功率MOSFET的开关特性

在开关过程中，平面功率MOSFET 的dV/dt、di/dt完全由栅极驱动控制，通过调整外部的栅极电阻就可以控制系统的dV/dt 和di/dt。，但是，超结结构功率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取值范围小，栅极驱动电路的栅极电阻参数不能有效控制其开关特性，如VDS 电压的变化率主要受输出电容Coss 和负载电流控制。

如果超结功率MOSFET 想用RG 控制关断的dV/dt，RG 必须增加到非常大的值，这又会导致开关速度非常慢，增加开关损耗和延时开关。图1 展示了功率MOSFET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，在硬开关电源结构中，可以提高系统的效率。

图1 功率MOSFET的工作波形

2 驱动参数的影响

驱动电路设计的关键的控制参数有：外部串联的栅极电阻RG，外部并联的栅极漏极电容Cgd，以及外部并联的漏极源极电容Cds。

超结结构功率MOSFET的栅极驱动电阻值较小时，dV/dt 主要受输出电容Coss 和最大负载电流的限制；随着负载电流的上升，di/dt 以非常快的速度上升，在大负载电流时，主要受外部寄生电感和外部应用电路的限制。当栅极驱动电阻增加到较大值，di/dt 开始部分受到驱动电路的限制，dV/dt 情况也基本相同。

如果增大CGD 的值，也就是G、D 外加并联电容，就可以使用较小的RG，以控制关断的dV/dt，这是一个比较优化的方法。当然，也可以使用增大CDS 的值，D、S 外加并联电容的方法来控制关断dV/dt，其缺点是会增加开通电流尖峰和di/dt。

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

超结结构功率MOSFET 通常需要外加一些元件和栅极电阻相配合，控制器件的开关速度，保持栅极驱动电路对器件关断过程的相关参数可控或部分可控，从而保证器件在极端条件下在可靠工作区工作，或满足EMI 要求。

栅极电阻低，开关速度更快，开关损耗更低，但会增加开关过程中功率MOSFET 的寄生电感和寄生电容所产生的VDS 尖峰电压，加剧栅极振荡，同时增加开通和关断过程中电压和电流上升的斜率dV/dt 和di/dt。反之，增加栅极电阻，会增加开关过程中的开通损耗和关断损耗，减小VDS 的尖峰电压，减小栅极振荡，同时降低在开通和关断过程中电压和电流上升的斜率dV/dt 和di/dt。

(a)外部栅极关断电阻对关断特性的影响

(b)外部并联栅极源极电容对关断特性的影响

(c)外部并联漏极源极电容对关断特性的影响

图3 不同外部参数对MOSFET关断特性的影响

3 驱动电路的设计及EMI影响

功率MOSFET 通常由PWM 或其他模式的控制器IC 内部驱动源来驱动，为了提高关断速度，实现快速关断，降低关断损耗，提高系统效率，通常要尽可能降低栅极驱动电阻。由于控制器IC 和功率MOSFET 栅极通常在PCB 上有一定距离，因此，在PCB 上会有一段引线，这条引线越长，引线电感越大，储存的能量越大，关断过程中容易导致栅极振荡，不仅会产生EMI 问题，还有可能在关断过程中关断并不完全，导致其误开通而损坏；同时，如果过高的振零尖峰大于VGS 最大额定值，也可能损坏栅极。因此，在很多AC-DC 电源、手机充电器以及适配器的驱动电路设计中，通常使用图4 的驱动电路，使用合适的开通和关断电阻，并使用栅极下拉PNP 管，以减小栅极和源极回路的引线电感。

图4 的驱动电路常用于驱动平面结构高压功率MOSFET，可以在各种性能之间取得非常好的平衡。但是，由于超结结构功率MOSFET 开关速度非常快，虽然使用这样的驱动电路效率更高，但是，会产生较大的dV/dt 和di/dt，从而对EMI 产生影响。采用AOD600A70R，其中，R1=150 Ω，R2=10 Ω，R3=10 kΩ，分别在输入120 V & 60 Hz、264 V & 50 Hz，输出11 V/4 A，44 W条件下测量关断波形，如图4 所示。

(a)常用栅极驱动电路

(b)关断波形，120 V & 60 Hz

(c)关断波形，264 V & 50 Hz

图4 常用栅极驱动电路及关断波形

由于具有足够的空间，电视机的板上AC-DC 电源、电脑适配器等可以在实现快开关速度的同时，通过电路系统中的各路滤波器实现EMI 性能。而手机快速充电器内部空间极其有限，因此，无法通过周围滤波器保证EMI 性能。这种情况就需要优化驱动电路来改善系统性能。当然，对于AC-DC 电源、电脑适配器，优化驱动电路同样可以提高EMI 性能。^[5]

超结结构功率MOSFET 的Coss 和Crss 强烈的非线性特性导致快速开关特性，可以通过外部栅极- 漏极、漏极- 源极并联电容来改善其非线性特性。在基于图5的驱动电路中，外部并联栅极- 漏极电容为11 pF，然后测量关断波形。从图5 的波形可以看到，外部并联栅极- 漏极电容可以降低di/dt，但是对dV/dt 的影响很小。从EMI 的测量结果来看，无法达到系统要求。为了提高系统安全性，图中栅极- 漏极电容采用2 颗高压陶瓷电容串联，C1=C2=22 pF。

(a)外部并联栅极-漏极电容驱动电路

(b)关断波形，120 V & 60 Hz

(c)关断波形，264 V & 50 Hz

图5 外部并联栅极-漏极电容驱动电路及关断波形

图5 的结果表明；栅极驱动速度仍然非常快，为了实现开关速度、开关损耗和EMI 结果的平衡，去掉栅极二极管和下拉PNP 管，为了能够控制关断dV/dt，漏极- 源极需要并联外部电容，如图6 所示。图6 的电路中加了1 个二极管，这样关断和开通可以使用不同的栅极电阻值，方便系统设计和调试优化；C1=C2=22 pF，C2=47 pF，R1=R2= 5.1 Ω，关断波形如图6 所示。