h1_key

  相信工程師在日常電源設計中，面對ZVS場景，經常會有以下困惑：如著名LLC，在死區(qū)工作，MOSFET寄生二極管續(xù)流，完成對結電容器充放電后，打開MOSFET減少設備消耗。

  細心的工程師可能會發(fā)現一個有趣的問題，我們以IPW60R024CFD7為例，假設死區(qū)時刻，流過二極管的電流為50A (125℃結溫)，那么此刻MOSFET源漏極壓降Vsd=0.96V;(如下圖所示)

  當死區(qū)結束，給到驅動信號，打開MOSFET，假設電流完全流過溝道，那么此刻Vsd=50*0.024*1.9=2.28V。(備注：1.9為125℃下電阻標準化比率)

  這時候您可能心里就要犯嘀咕了：打開了MOSFET后，導通損耗反而變大了?電流到底是走溝道還是體二極管?如果損耗變大了那么我還需要打開MOSFET嗎?

  HV SJ MOSFET小知識

  SJ MOSFET的剖面圖如下所示：在這個結構中，我們可以看到三個器件模型：

  1.NMOS 導電溝道

  2.寄生NPN三極管(BJT)

  3.寄生PIN二極管

  以上2種寄生結構分別對MOSFET器件的物理參數有著如下的限制：

  1.寄生BJT : 限制MOSFET器件dVds/dt能力，寄生BJT導通條件約為dVds/dt > VBE(BJT)/(Rp+ * Cdb)，硬開關場景需要考慮該因素;

  2.寄生體二極管 : 限制MOSEFT器件dI/dt反向恢復能力(Qrr)，硬開關場景需要考慮該因素。

  當MOSFET工作在開關狀態(tài)時，處于線性工作區(qū)，其物理特性為等效電阻，(如下圖所示)，二極管I-V曲線大家都耳熟能詳，那么當二者同時導通電流時，會是怎樣?簡單的幾何相加嗎?

  探究MOSFET在第三象限的工作

  根據常識我們知道，對于一個給定的MOSFET，其導通電流的能力，宏觀上，與驅動電壓大小，MOSFET結溫都有著密切聯(lián)系。那么當MOSFET工作在第三象限是否還有類似的關系呢?我們這里采用控制變量法，通過仿真來一探究竟：

  首先我們看同一結溫(25℃)下，不同的驅動電壓I-V曲線：

  由上仿真結果圖我們可以總結出：

  1.Vgs< Vgs(th)時，溝道尚未打開，MOSFET I-V曲線表現為二極管特性;

  2.Vgs>Vgs(Miller)時，溝道打開，MOSFET IV曲線在小電流下表現為純阻性(I-V曲線呈現線性關系)，在大電流下表現為溝道、寄生體二極管二者共同作用(I-V曲線呈現非線性關系);

  3.在大電流場景下，Vgs電壓越高，MOSFET器件呈現阻性(I-V曲線斜率)越大。

  其次，我們再看一下不同結溫下 MOSFET I-V曲線，有如下結論：

  1.Vgs

  2.Vgs>Vgs(miller)時，溝道打開，小電流下，結溫越高，器件電阻率越高;大電流下，結溫越高，器件的電阻率越低。

  MOSFET器件溝道本身為少子(電子)導電，其溫度越高，電子遷移率越低，因此阻性越大;PIN二極管、BJT 均為雙極型載流子器件，其電導調制效應起主導作用，因此電流越大，阻性越低;溫度越高，(電導調制效應越強，載流子濃度越高)阻性越小。

  微觀世界的神秘風采

  好奇的工程師朋友們肯定想知道：在微觀世界下，是什么之間的相互作用，導致了上述的結果呢?我們在這里拋磚引玉，嘗試性的扒開微觀世界的面紗，一瞥其神秘風采：

  1.當Vgs=0時， P、N、N+ 摻雜層形成PIN二極管的結構，在外加電場的作用下，電子源源不斷的通過電源負極，注入到N+層，N層，使得輕摻雜的N層載流子濃度以非線性的形式快速提高，大大提高了通流能力;空穴同理。

  2.N+、P+、N摻雜層形成NPN BJT結構，變化的電場改變電子移動方向、速度(電流方向、大小)，當電子(位移電流)流過P+層(等效電阻)以及P+層與襯底等效電容的產生的壓降>BJT的開通閾值電壓V??時，(即當外加電場變化率dVds/dt > VBE(BJT)/(R?+ * Cdb)時，)BJT導通。

  3.當Vgs > Vgs(miller)時，P+層足夠多的電子被吸附到柵氧層表面，形成導電溝道，此時MOSFET溝道導通：

  1)當電流較小時，MOSFET Vsd兩端管壓降 < 二極管開通閾值，不足以維持二極管內部反型層，二極管關閉，此刻電流完全流經溝道。

  2)當電流較大時，MOSFET Vsd 兩端管壓降 > 二極管開通閾值，二極管參與導通：PIN結構二極管內部電子空穴對均參與導電。由于Gate-Souce正電壓的存在，將會捕獲PIN結構二極管部分自由移動的電子空穴對，進而呈現出Vgs電壓越高，電阻率越大的結果。當在導電溝道內的電子移動速率、數量與PIN二極管的電子空穴對移動速率、數量達到動態(tài)平衡時，器件進入穩(wěn)態(tài)。

  通過以上的分析，我們知道了MOSFET器件工作于第三象限時，電流路徑不是簡單的加和，是溝道跟寄生結構的共同作用效果。

  能效非凡，低碳未來

  既然是這樣，那么為什么我們在器件處于第三象限時，我們還要打開驅動，讓溝道也參與導電呢?(此刻的阻抗明顯更大了)

  MOSFET寄生的結構雖然可以大大的降低導通阻抗，但是由于電導調制效應的存在，使得載流子復合消失過程時間大大增加，進而導致嚴重的關斷損耗。在實際的電路設計中，需要權衡開關損耗、導通損耗，折衷處理。通常，對于硅基 MOSFET來講，導通損耗與關斷損耗會控制在一個數量級上。在如今的電源產品中，開關頻率已經從幾十KHz覆蓋到幾個MHz，即使是ZVS的拓撲結構(比如LLC)，由于關斷損耗的存在，也需要完全打開溝道，使得盡可能多的電流流經溝道，這樣在關斷時有，PIN結構二極管內載流子可以更快的復合消失，以減小器件關斷損耗(Qrr)。