理解超级结技术

在任何开关电路中，栅极驱动设计都要考虑开关速度与噪声这一对矛盾。超级结器件在高压下提供高开关速度，这也需要特别注意驱动设计。设计不佳可能造成电压尖峰、开关不稳定和更高的EMI。与超低容值有关的另一个重要考虑是对耦合和噪声的灵敏性增加，表现为栅源振荡。设计工程师因此不得不通过引入高栅极电阻或低驱动电流来减慢开关速度，最终使系统效率降低。

图4和图5显示了来自该应用指南的栅极电荷曲线，它描绘了V_DS在栅极放电和充电时的上升和下降。通常，MOSFET的Q_gd可用于估计开关期间V_DS电压的上升和下降时间。假设用恒定电流源驱动栅极，则tvfall = Qgd / Igon，tvrise = Qgd / Igoff。

这种简单模型不能用于超级结器件，超级结器件的结构和开关行为更为复杂。例如，图6显示了SiHP33N60E的栅极电荷曲线，V_DS曲线叠加于其上。与平面式器件相比，超级结MOSFET的一个特征是其容值（V_DS的函数）的宽变化范围。在超级结MOSFET中，由于C_rss在0 V - 600 V范围内的100:1下降，所以观察到的开关持续时间远小于从产品数据表Q_gd值估计得到的数据。虽然没有分析方法可用来预测实际过渡时间（这取决于应用条件），但设计工程师应当知道可使用更低栅极驱动电流来实现优异的开关性能。与平面式MOSFET器件相比，这使超级结器件可使用尺寸更小、成本更低的栅极驱动器。

图6 – SiHP15N60E的栅极电荷与V_DS关系曲线

图7 – SiHP15N60E的容值和储存能量与V_DS关系曲线

Coss、Co(tr)、Co(er)和Eoss

图5还显示了超级结器件的C_oss低近40%，导致更少的储存能量和更快的开关速度，同时实现更低损耗。所有MOSFET的输出容值C_oss均表现出与施加电压V_DS有关的非线性特征。这种非线性在超级结MOSFET情况下更显著，具有100:1的变化率，电压值的范围为0 V - 600 V。这给需要针对C_oss储存电荷和能量有效值的设计工程师带来了挑战。超级结器件产品数据表通常提供针对C_oss的两个有效值，定义如下：

C_o(tr) - 定义固定电容的值，其在80%额定电压下具有与可变C_oss相同的储存电荷。

C_o(er) - 定义固定电容的值，其在80%额定电压下具有与可变C_oss相同的储存能量。

有几项研究都强调了储存能量E_oss在不同工作条件下对系统效率的影响。由于意识到这一重要性，Vishay已开始提供针对所有高压MOSFET的完整E_oss曲线，一直到图7所示的额定电压。

体二极管特征

由于具有更低的R_DS(on)和低容值，超级结MOSFET还是包括ZVS桥在内的所有高频开关应用的器件之选。在ZVS或同步应用中，MOSFET的体二极管不进行硬式整流。二极管电流经过软式整流后流向MOSFET通道，在MOSFET关断时二极管恢复电压阻断功能。但这并不意味着可以想当然地认为，在ZVS桥应用中，在包括瞬态事件在内的所有工作条件下都具有二极管恢复功能。更低的Q_rr、短势垒周期和软恢复特征仍然是重要的要求。与平面式器件相比，超级结MOSFET没有Q_rr 和t_rr较低的优点，因而更适合ZVS应用。但体二极管恢复阻断电压的能力被认为非常重要，所以应当进一步改善恢复特征。意识到这一需要，ViShay已推出EF系列超级结MOSFET，在制造中采用额外的工艺，使体二极管的Q_rr减小了5-7倍。

结论

超级结结构是高压MOSFET技术的重大发展并具有显著优点，其R_DS(on)、栅极容值和输出电荷以及管芯尺寸同时得到降低。为充分利用这些快速和高效器件，设计工程师需要非常注意其系统设计，特别是减小PCB寄生效应。超级结MOSFET具有低很多的栅极电荷，并可用低电流栅极驱动器驱动。其输出容值尽管是高度非线性的，但提供较低的储存能量E_oss及相关输出损耗。Vishay超级结器件提供各种封装、额定电压和体二极管特征，以适合广泛的应用需要。

本文作者：Sanjay Havanur和