用超級結MOSFET時柵極會振蕩?如何解決?

因為MOSFET是單極性器件，因此寄生電容是開關瞬態唯一的限制因素。電荷平衡原理降低了特定面積的導通電阻，而且，與標準MOSFET技術相比，相同RDS(ON)下的晶片尺寸更小。圖1顯示超級結MOSFET和標準平面型MOSFET的電容。標準MOSFET的Coss為中度線性變化關係，而超級結MOSFET的Coss曲線呈現高度非線性關係。因為單元密度較高，超級結MOSFET的Coss初始值較高，但超級結MOSFET中，在約50V漏源電壓附近，Coss會迅速下降，如圖1所示。當使用超級結MOSFET應用到PFC或DC/DC轉換器時，這些非線性效應可能造成電壓和電流振蕩。圖2顯示簡化的PFC電路示意圖，包括功率MOSFET內部寄生元件和外部振蕩電路，外部振蕩電路包含由布板帶來的外部耦合電容Cgd_ext.)。

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　　圖1. 平面型MOSFET和超級結MOSFET輸出電容的比較

　　一般來說，有多個振蕩電路會影響MOSFET的開關特性，包括內部和外部振蕩電路。 在圖2的PFC電路中，L、Co和Dboost分別是電感、輸出電容和升壓二極體。Cgs、Cgd_int和Cds是功率MOSFET的寄生電容。Ld1、Ls1和Lg1是功率MOSFET的漏極、源極和柵極邦定線以及引腳電感。Rg_int和Rg_ext是功率MOSFET的內部柵極電阻和電路的外部柵極驅動電阻。Cgd_ext是電路的寄生柵極-漏極電容。LD、LS和LG是印刷電路板(PCB)的漏極、源極和柵極走線雜散電感。當MOSFET打開或關閉時，柵極寄生振蕩通過柵極-漏極電容Cgd和柵極引線電感Lg1在諧振電路內發生。

　　圖2.包含功率MOSFET內外部寄生元件的PFC電路簡圖

　　在諧振條件(ωL = 1/ωC)下，柵極和源極 電壓中生成的震蕩電壓遠大於驅動電壓。因諧振變化而產生的電壓振蕩與品質因數成正比， Q(=ωL/R = 1/ωCR)。當MOSFET關閉時，漏極寄生電感(LD + Ld1)、柵極-漏極電容Cgd和柵極引線電感Lg1網絡造成柵極 振蕩電壓。如果柵極電阻 (RG-ext.+Rg_int.)極小，則Q變大。另外，LS兩端的壓降和Ls1源極雜散電感在柵極-源極電壓中產生振蕩，可用表達式(1)表示。寄生振蕩可能造成柵源極擊穿、不良EMI、較大開關損耗、柵極控制失效，甚至可能造成MOSFET故障。

優化電路設計，最大限度地提高超級結MOSFET的性能而又不產生負面影響非常重要。