超结功率MOSFET输出电容迟滞效应及ZVS软开关影响

1、超结功率MOSFET输出电容迟滞效应

高频高功率密度开关电源为了提高效率，通常使用零电压ZVS软开关技术。功率MOSFET开通前，COSS电压VDS为直流母线电压，COSS电容储存能量，通过外加电感L和COSS串联或并联，形成LC谐振电路，COSS放电，VDS谐振下降；当VDS谐振下降到0时，功率MOSFET内部反并联寄生二极管自然导通续流，VDS电压几乎为0，此时，开通功率MOSFET，就可以实现零电压ZVS开通。

功率MOSFET关断时，直流母线电压对COSS电容充电，VDS电压从0开始上升；由于超结功率COSS电容非线性特性，在电压为0时COSS足够大，VDS电压上升速度非常慢，dV/dT上升斜率非常小。功率MOSFET关断后，ID电流从最大值下降到0过程中，VDS和ID电流的交叠区面积很小，关断损耗非常小，自然形成零电压ZVS关断。

理论上，ZVS软开关过程中，COSS电容充放电，基本上没有损耗。实际应用中却发现，功率MOSFET在ZVS软开关过程中，COSS电容充放电过程存在一定的额外损耗，无法恢复存储在输出电容COSS中的全部能量，这个现象称为超结功率MOSFET输出电容的迟滞（滞洄）效应，其最先由美国Enphase公司工程师发现：

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.

图1  文献中的波形

2、超结功率MOSFET输出电容的迟滞效应测量

事实上，很多陶瓷电容也具有电迟滞效应，测量电迟滞回线应用最广泛的方法是Sawyer-Tower法，如图1所示。其中，Cx 为待测量的电容，Co为标准电容，通常，Co的电容值远大于Cx。

图2  Sawyer-Tower法

超结功率MOSFET输出电容迟滞回线的测量电路和陶瓷电容的测量电路类似，如图2所示。其中，MOSFET栅极G和源极S连接在一起，其输出电容为COSS，Cref 为标准电容，Cref的电容值远大于COSS，因此，MOSFET的VDS电压为：

其中，VY为示波器Y轴（Y通道）的电压，VX为示波器X轴（X通道）的电压。

图3  测量超结功率MOSFET输出电容迟滞回线

MOSFET的Qoss为：

Cref电容的电压为VX，COSS和Cref串联，二者电流一样，充、放电时间和电流一样，因此，它们储存的电荷也相同：

所以：

(a) 方波波形产生电路

(b) 方波波形图

图4  测量的信号波形产生电路

将示波器测量的信号X和Y，配置成Y-Y模式，就可以得到超结功率MOSFET输出电容的电压和电荷的迟滞回线，如图5所示。图5中，纵轴Y轴为电压VDS，测量了4个不同型号超结功率MOSFET输出电容迟滞回线。

(a) 器件A1

(b) 器件I2

（c） 器件A3

（d） 器件A4

图5  不同型号的超结功率MOSFET输出电容迟滞回线

3、超结功率MOSFET输出电容迟滞效应产生原因

超结功率MOSFET技术目前采取多层外延和深沟槽工艺，相对于平面结构，P阱下移形成P柱结构，如图6、图7所示。通常情况，超结功率MOSFET的COSS在充电过程中，超结N柱、P柱最初的移动载流子，会在放电过程中完全消耗尽。但是，如果在COSS充电阶段，一些移动载流子被隔离滞留,也就是形成滞留电荷(Stranded Charges Q_STR)，耗尽层扩展不一致，沿着N柱、P柱形成没有耗尽的微小区域，导致充电和放电过程不一致，最终形成迟滞效应，也就是COSS充放电过程中一些能量在内部被消耗。超结功率MOSFET输出电容迟滞效应，和滞留电荷直接相关。

图6  多层外延结构Multiple Epi Structure

图7  深沟槽结构Trench Epi Structure

从图5可以发现，超结功率MOSFET输出电容的迟滞效应，与其漏极源极所加电压VDS直接相关，这种效应大多发生在低压阶段，这也表明，超结功率MOSFET输出电容的迟滞效应和超结柱状结构在低于100V发生的三维耗尽有关。

此外，COSS的迟滞效应也和超结功率MOSFET结构相关，内部晶胞单元尺寸越小，迟滞效应越明显。相关文献研究表明：深沟槽结构没有滞留电荷Q_STR效应，多层外延结构具有滞留电荷Q_STR效应，如图8、图9所示。图8和图9中，列出了这种结构的仿真电势线分布图Potential line distribution。多层外延结构在动态耗尽过程中，滞留电荷Q_STR，出现在N柱和P柱的底部和顶部。

Jaume Roig and Filip Bauwens, Origin of Anomalous COSS Hysteresis in Resonant Converters With Superjunction FETs

这表明：多层外延结构MEMI(Multi implant multi epitaxy)的滞留电荷Q_STR效应，比深沟槽结构TFET(Trench filling epitaxial growth)要严重。

图8  深沟槽结构Trench Epi Structure

图9  多层外延结构Multiple Epi Structure

4、超结功率MOSFET输出电容迟滞效应的功耗测量

为了得到超结功率MOSFET输出电容迟滞效应所产生的功耗，可以用等效法测量。使用图3的电路，在一定输入电压、工作频率fs下稳定工作，测量超结功率MOSFET壳顶的温升ΔT。然后，在超结功率MOSFET内部寄生二极管通过一定电流IF，使超结功率MOSFET壳顶的温升同样达到ΔT，测量寄生二极管压降VF，则可以得到相应条件下，输出电容迟滞效应所产生的功耗：

输出电容迟滞效应所产生的能量：