芯耀
与非AI
182
摘要 /
硬开关电机驱动器容易出现电压过冲和振铃现象，通常需要添加外部元件来减缓开关瞬态过程。本研究推出了一种针对驱动优化、集成了非线性阻尼器的100V MOSFET新技术，无需额外的电路板级电路即可钳制电压峰值并抑制振铃。文中阐述了该器件的设计理念，讨论了其对关键应用权衡的影响，并展示了应用层面的性能及电磁干扰（EMI）测试结果。
概要
引言
现代硬开关驱动应用要求MOSFET不仅能提供低导通损耗以及快速且可控的开关过渡，还需限制电压过冲和振铃，以满足EMI和系统鲁棒性要求。采用电荷补偿技术的低压 (LV) 沟槽型功率 MOSFET 从图 1 所示的传统条带布局（其中栅极通常堆叠在深沟槽内的绝缘场极板上或与之分离）演变为图 2 所示的网格状布局。在此概念中，场板现在形成于针状深沟槽内，周围环绕着独立的栅极沟槽网格 [1]。
图 1. 典型的沟槽型 MOSFET 结构：左侧为通过连接至源极的绝缘场板实现横向电荷补偿，右侧为芯片设计中
图 2. 通过绝缘场板进行横向电荷补偿且栅极沟槽分离的沟槽型 MOSFET 结构（左），以及改进型芯片设计中采用的新型网格状布局方案（右）
该概念已被证明在谐振转换器平台中特别有效。由于场板直接连接到源极，因此实际上消除了由功率器件本身引起的、通常被忽视的一种损耗机制[2],[3]。该机制与场板电阻ROSS有关，该电阻与场板电容COSS串联。每当COSS充电或放电时，大部分充电电流都必须通过ROSS，从而导致导通损耗。显然，对于采用共条纹布局的 MOSFET 而言，ROSS可能变得十分显著，因为场极板只能在沟槽条纹的末端与源极连接。LLC拓扑等谐振拓扑旨在实现所有MOSFET的软开关（即零电压或零电流开关），这意味着开关损耗被认为可以忽略不计。需要考虑的相关损耗包括导通损耗、栅极驱动损耗以及与ROSS相关的损耗。新型器件设计最大限度地降低了与ROSS相关的损耗，使其成为此类应用的理想选择。
相比之下，在硬开关驱动应用中，场板与源极之间的这种低阻连接会导致快速瞬态缺乏固有阻尼，因为此时输出电荷QOSS会与自由地与电路寄生网络相互作用。这会导致漏源电压过冲并引发振铃现象，除非采用外部阻尼器或使用大值栅极电阻来减缓瞬态过程。虽然这些措施能解决问题，但会导致更高损耗、占用更多空间，并因所需外部元件而增加成本。
本研究推出了全新的 OptiMOS™ 8 100V 驱动优化技术，该技术将非线性阻尼元件集成到器件中。它既能限制漏源电压过冲，又能同时抑制高频振铃，从而在硬开关拓扑中实现更干净的开关过渡。
摘要
新型MOSFET器件通常需要全面提升各项性能指标。为满足这些要求，开发了一种创新的单元设计方法，该方法探索了真正的三维电荷补偿技术[1]。这种OptiMOS™ 6技术经过优化，可满足开关频率达数百kHz的快速开关应用需求，此类应用要求FOMG和FOMGD值较低[1]。对于电机驱动应用而言，这些特性的重要性相对较低，因为电机驱动的开关频率通常在 10 kHz 范围内，且 dv/dt 通常需要限制在 5 V/ns 以内。相反，实现低导通电阻、高电流承载能力和低反向恢复电荷至关重要。通过以不同的方式平衡关键器件参数，可以满足这些变化后的要求。图 3 展示了针对开关应用优化的 OptiMOS™ 6、针对驱动应用优化的新型 OptiMOS™ 8 以及最先进的 OptiMOS™ 5 条纹单元技术之间的差异。
图 3. 采用 TO-Leadless 封装的不同业界领先 100 V 器件技术的比较 [VDS = 50 V, IL = 50 A, di/dt = 1000 A/µs]
为了便于使用并省去外部元件，该新型器件集成了非线性缓冲器，可抑制漏源电压过冲和振铃现象，并在MOSFET用于同步整流模式时改善其开关性能。图 4 展示了针对开关性能优化的 OptiMOS™ 6 的开关特性，图 5 则展示了新推出的、针对驱动器优化的 OptiMOS™ 8 在同步降压转换器中的开关特性。这些测量结果说明了一个典型的应用场景：其中低侧器件的漏源电压VDS(LS)的最大过冲必须应限制在80 V以内，这相当于MOSFET标称击穿电压的80%降额。通过为高侧开关选择适当值的栅极电阻来满足这一限制，该电阻不仅控制开关速度，还控制低侧器件的过冲电压，但当电阻值较高时，会以增加开关损耗为代价。OptiMOS™ 8器件即使使用与OptiMOS™ 6相同的较小栅极电阻，也能满足过冲限制要求，这意味着新器件的开关损耗也随之降低。此外，电压振铃现象也得到了抑制。
图 4. OptiMOS™ 6 在同步降压转换器中的开关行为，RG,on = 18 Ω [VDS = 50 V, IL = 50 A]
图 5. OptiMOS™ 8 在同步降压转换器中的开关行为，RG,on = 11 Ω [VDS = 50 V，IL = 50 A]
图 6 对比了新型 1.3 mΩ OptiMOS™ 8 器件与采用前代条纹技术的 2 mΩ OptiMOS™ 5 器件的开关波形。在新器件中，可以观察到电压波形斜率的变化（箭头所指），这源于非线性的内部阻尼特性。在此情况下，输出电容在较高的漏源电压下逐渐建立，从而减缓了开关过程中的电压斜率变化。每当器件两端的电压超过该阈值时，都会发生这种斜率变化。得益于集成的阻尼器，其电压过冲和振铃行为甚至优于最先进的条纹设计！
图 6. 在低压电机驱动逆变器中捕获的新型 OptiMOS™ 8 与前代 OptiMOS™ 5 器件的 VDS 和 ID 波形对比
在电机驱动应用中，采用基于通用 B6 拓扑结构的改良型现成逆变器测试平台 [4]，使用 TO 无引线封装的业界领先器件，在严苛的开关条件下对这项新技术的实际性能进行了评估。该逆变器采用48 V标称输入电压，提供82 Arms的平均输出电流，并通过七段空间矢量调制（SVM）的V/f控制方案，向与磁滞制动器耦合的三相感应电动机输出4 kW功率。负载电流的设定旨在使器件外壳温度达到100 °C。选定的 V/f 工作点为 520 mV/Hz，在 10 kHz 开关频率下，同步转速为 2000 rpm（66.67 Hz）。为了进行有效的比较，两款器件的 di/dt 和 dv/dt 值均进行了匹配。
图 7 显示了高侧开关导通的波形。可以看出，与前代技术 15 V 的第一峰峰值电压相比，新型 OptiMOS™ 8 器件的该值更低，约为 10 V。总体而言，振铃幅度更小。采用新型器件可在保持相同封装尺寸和外壳温度的前提下，将输出功率提升 8%。此外，根据适用标准 EN 12895 进行的辐射发射测量表明，新型 OptiMOS™ 8 器件在整个测试频谱范围内均表现出更低的发射水平，详见图 8。
图 7. 高侧导通时开关波形的比较，其中 dv/dt 和 di/dt 值匹配
图 8. 采用 OptiMOS™ 8 或 OptiMOS™ 5 器件时的辐射发射测量
参考资料
[1] R. Siemieniec、M. Hutzler、C. Braz、T. Naeve、E. Pree、H. Hofer、I. Neumann 和 D. Laforet，《一种新型功 率 MOSFET 技术在效率方面取得新里程碑》，载于 EPE 会议论文集，德国汉诺威，2022 年
[2] T. Chen, P.A.M. Bezerra, Z. He, G. Li 和 E. Hoehne, “软开关半桥紧凑损耗模型的系统推导与实验验证”，载于 EPE 会议论文集，丹麦奥尔堡，2023
[3] R. Siemieniec、S. Mazzer、G. Noebauer、C. Braz、D. Laforet、E. Pree 和 A. Ferrara，《利用新型先进功率 MOSFET技术提高谐振转换器的效率》，载于EPE会议论文集，奥尔堡， 丹麦，2023
[4] 英飞凌科技股份公司，“EVAL_10KW_B6_SIC400V 用户指南 ——采用 400 V CoolSiC™ G2 的三相半桥（B6）拓扑” ，可访问：https://www.infineon.com/assets/row/public/documents/24/44/infineon-eval-10kw-b6-sic400v-user-guide-usermanual-en.pdf
