超結(jié)功率MOSFET輸出電容遲滯效應(yīng)分析-KIA MOS管

超級結(jié) MOSFET (SJ-MOS)英文名稱叫Super Junction MOSFET。為了解決額定電壓提高而導(dǎo)通電阻增加的問題，超結(jié)結(jié)構(gòu)MOSFET在D端和S端排列多個垂直pn結(jié)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是在保持高電壓的同時實現(xiàn)了低導(dǎo)通電阻。超級結(jié)的存在大大突破了硅的理論極限，而且額定電壓越高，導(dǎo)通電阻的下降越明顯。

超級結(jié)MOSFET超越了平面制造工藝（基于單個p-n結(jié)），具有多個垂直p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)。最終實現(xiàn)了在多條平行路徑上“共享”導(dǎo)通電阻，降低了總導(dǎo)通電阻。

與其他晶體管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，它具有明顯的優(yōu)勢，特別是在按面積計算的導(dǎo)通電阻方面。這相應(yīng)地降低了損耗，意味著它不僅價格更加低廉，還可在無需散熱的情況下，用于切換更高電壓和電流的應(yīng)用。

超結(jié)功率MOSFET輸出電容遲滯效應(yīng)

高頻高功率密度開關(guān)電源為了提高效率，通常使用零電壓ZVS軟開關(guān)技術(shù)。功率MOSFET開通前，COSS電壓VDS為直流母線電壓，COSS電容儲存能量，通過外加電感L和COSS串聯(lián)或并聯(lián)，形成LC諧振電路，COSS放電，VDS諧振下降；當(dāng)VDS諧振下降到0時，功率MOSFET內(nèi)部反并聯(lián)寄生二極管自然導(dǎo)通續(xù)流，VDS電壓幾乎為0，此時，開通功率MOSFET，就可以實現(xiàn)零電壓ZVS開通。

功率MOSFET關(guān)斷時，直流母線電壓對COSS電容充電，VDS電壓從0開始上升；由于超結(jié)功率COSS電容非線性特性，在電壓為0時COSS足夠大，VDS電壓上升速度非常慢，dV/dT上升斜率非常小。

功率MOSFET關(guān)斷后，ID電流從最大值下降到0過程中，VDS和ID電流的交疊區(qū)面積很小，關(guān)斷損耗非常小，自然形成零電壓ZVS關(guān)斷。

理論上，ZVS軟開關(guān)過程中，COSS電容充放電，基本上沒有損耗。實際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)，功率MOSFET在ZVS軟開關(guān)過程中，COSS電容充放電過程存在一定的額外損耗，無法恢復(fù)存儲在輸出電容COSS中的全部能量，這個現(xiàn)象稱為超結(jié)功率MOSFET輸出電容的遲滯（滯洄）效應(yīng)，其最先由美國Enphase公司工程師發(fā)現(xiàn)：

Coss Related Energy Loss in Power MOSFETs Used in Zero Voltage Switched Applications, J. B. Fedison, M. Fornage, M. J. Harrison, D. R. Zimmanck, Enphase Energy Inc., APEC 2014.

超結(jié) MOSFET 電容遲滯