概述
Super-junction類型的高壓功率MOSFET具有更低的導(dǎo)通電阻，因此在通信電源，服務(wù)器電源，電源適配器以及臺式電腦電源和照明整流器等應(yīng)用中得到廣泛的使用。Alpha MOS就是基于Super-junction技術(shù)開發(fā)的高壓功率MOSFET，其采用8英寸晶圓，明顯提升了器件性能和可靠性。
本文主要針對Alpha MOS在主動功率因素校正電路(PFC)中的設(shè)計要點和注意事項給出建議和解決方案。
1.Alpha MOS的工作特性
Alpha MOS的導(dǎo)通電阻x芯片面積(RdsA)性能指標(biāo)比AOS平面工藝MOSFET高3.5倍，導(dǎo)通電阻x米勒電容(RdsxQgd)性能比平面工藝MOSFET高5.7倍。Alpha MOS是目前super-junction產(chǎn)品中同等級下FOM性能最高的，比同等級排名第二的高速開關(guān)型super-junction 產(chǎn)品高出45%(圖1)。
圖1：RdsxQgd和FOM(RdsxQg)的性能對比
由于Alpha MOS 具有開關(guān)速度快，結(jié)電容小的特點，對減少開關(guān)損耗，提高效率有很大幫助。但是在設(shè)計中需要更謹慎小心。與傳統(tǒng)的MOSFET相比，Alpha MOS需要更仔細的設(shè)計驅(qū)動電路和PCB布線，在并聯(lián)應(yīng)用中也需要格外注意開關(guān)噪聲對驅(qū)動信號的影響。
Super-junction類型的MOSFET由于其特有的空間電荷結(jié)構(gòu)，開關(guān)速度比傳統(tǒng)MOSFET快的多。圖2-圖5是600V/20A等級super-junction 產(chǎn)品的開關(guān)特性對比。competitor1為電源類產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛的一種super-junction型 MOSFET，competitor2則是另一種高速開關(guān)型的super-junction MOSFET。
圖2：門極驅(qū)動電荷對比
圖3：漏極電流與門極驅(qū)動關(guān)系對比
圖4：漏極電壓與門極驅(qū)動關(guān)系對比
圖5：結(jié)電容與漏極電壓關(guān)系對比
從對比中可以看出Alpha MOS主要的優(yōu)勢在結(jié)電容，同等級的MOSFET結(jié)電容越小，在同樣驅(qū)動條件下開關(guān)速度就越快，在硬開關(guān)電路中，這是一個很大的優(yōu)勢。但是過快的開關(guān)速度會產(chǎn)生很高的dv/dt和di/dt，這對于MOS的工作可靠性是有害的，同時也是電源系統(tǒng)中噪聲的來源。
Alpha MOS的Qg很小，對于減少驅(qū)動損耗是個優(yōu)點。在實際應(yīng)用中，Qg或者Ciss小的MOSFET，它的驅(qū)動信號更容易受主功率回路的干擾，特別在高壓應(yīng)用中這個問題十分突出。如果對開關(guān)速度不加限制，過高的dv/dt 很容易耦合到驅(qū)動回路中，造成驅(qū)動信號紊亂，甚至導(dǎo)致MOS燒毀。
在大功率應(yīng)用中，MOS的并聯(lián)往往是常用的手段。但是對于像Alpha MOS這樣的高速開關(guān)器件，并聯(lián)需要格外注意。開關(guān)速度越快的MOS，并聯(lián)時越容易導(dǎo)致工作不平衡，驅(qū)動參數(shù)選擇不當(dāng)甚至?xí)?dǎo)致額外的干擾。
可以看出，Alpha MOS雖然性能優(yōu)異但是對設(shè)計使用的要求也比較高。它并非如傳統(tǒng)的開關(guān)器件可以“拿來就用”。選擇合適的拓撲，仔細調(diào)節(jié)驅(qū)動參數(shù)，合理規(guī)劃PCB布局，都有助于增加電路的穩(wěn)定性，避免不必要的重復(fù)勞動。
2．Alpha MOS驅(qū)動電路設(shè)計
PFC是電源拓撲中對MOS要求比較高的拓撲之一，這是因為：（1）PFC有比較寬的輸入電壓范圍。現(xiàn)代電源大都要求在90-264V的全范圍交流電壓下工作，這意味著MOS既要有足夠的耐壓等級又要能承受較大電流；（2）PFC的控制環(huán)路速度比較慢，為了平滑100Hz/120Hz的交流整流紋波，PFC反應(yīng)時間必須達到數(shù)十ms。如果控制電路和IC沒有專門進行優(yōu)化，啟動過程往往會產(chǎn)生很大的沖擊電流，沖擊電流可達正常工作時的5-10倍；（3）在缺乏欠壓保護的PFC中，當(dāng)交流電壓降到低于90V很多時，電路仍有可能繼續(xù)工作，這也會產(chǎn)生很高的開關(guān)峰值電流，導(dǎo)致干擾和應(yīng)力超出正常范圍。圖6為典型的PFC電路，圖7為PFC啟動時，MOSFET漏極的沖擊電流示意圖。
圖6：典型的PFC電路
圖7：PFC啟動，MOSFET漏極的沖擊電流
MOSFET的驅(qū)動電路已經(jīng)有很多成熟的方案。在實際應(yīng)用中，出于成本考慮，很多驅(qū)動電路都采用比較簡單的芯片直驅(qū)方案。但是在大功率和性能要求比較高的應(yīng)用中，驅(qū)動電路的設(shè)計對MOSFET的可靠性和系統(tǒng)的性能仍有很大影響。
圖8:MOSFET兩種基本驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)
在圖8中是最常見的MOSFET驅(qū)動電路，R1，R2是Rg，左圖R1+R2是驅(qū)動電壓上升時的充電電阻，R1單獨作為放電電阻，右圖R2單獨作為充電電阻，R1和R2并聯(lián)作為放電電阻。R3是驅(qū)動自放電電阻。C1和C2分別是外加的Cds和Cgs電容。
（1）dv/dt的控制策略和注意事項
影響dv/dt的因素有MOS自身特性、開關(guān)時的電流峰值，以及驅(qū)動電路的Rg等。由于Alpha MOS的Ciss特別小，適當(dāng)?shù)脑龃驝gs也是有效改善dv/dt的方法。
雖然MOSFET本身可承受的dv/dt和di/dt很高，但是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，通過改變Rg和Cgs，控制dv/dt不超過20V/ns，對應(yīng)的di/dt不超過200A/ns，在實際電路中能有較好的工作狀態(tài)。在效率允許的情況下，dv/dt小于10V/ns，di/dt小于100A/ns更有利于可靠性，如圖9和圖10所示。
PFC應(yīng)用中存在寬輸入電壓范圍，輸入電壓跳變，以及響應(yīng)時間慢等特點，容易出現(xiàn)比較大的沖擊電流。在這種應(yīng)用中需要特別注意控制峰值電流，同樣的驅(qū)動參數(shù)下，峰值電流越大，開關(guān)的dv/dt和di/dt越大。要根據(jù)實際應(yīng)用中的最大峰值電流來調(diào)整驅(qū)動參數(shù)。在設(shè)計中，要監(jiān)測最大沖擊電流下的開關(guān)波形，以確定是否需要調(diào)整驅(qū)動參數(shù)，使MOSFET工作在較好的狀態(tài)。
通過漏源極增加額外的電容也可以比較容易地減小dv/dt。在正激有源拑位，橋式軟開關(guān)，諧振類電路中，合適的漏源極電容有助于開關(guān)狀態(tài)的優(yōu)化。而在PFC和反激類電路中則需要小心處理，要和效率進行適當(dāng)?shù)钠胶狻Ｔ谛试试S的范圍內(nèi)，通過增大漏源極電容還可以有效地減少EMI。
圖9：MOSFET關(guān)斷dv/dt與放電電阻關(guān)系
圖10：MOSFET關(guān)斷dv/dt與Cgs關(guān)系
（2）減少通過Cgd耦合對驅(qū)動的干擾
由于Alpha MOS的高速開關(guān)特性，以及極低的Ciss和Crss，Alpha MOS更容易受layout不良而導(dǎo)致驅(qū)動受到干擾。這種干擾往往是由于高頻高壓的走線和驅(qū)動走線靠的太近。使得漏極的高dv/dt信號通過耦合放大的Cgd進入驅(qū)動信號。如圖11和圖12所示。
圖11：PFC MOSFET驅(qū)動被干擾
圖12：PFC MOSFET驅(qū)動正常
（3）驅(qū)動端加磁珠
驅(qū)動端加磁珠是種簡單合理的方法，可以抑制驅(qū)動端受干擾產(chǎn)生的尖刺。建議將磁珠放置在盡可能靠近MOS驅(qū)動端的位置。TO220等插件封裝可以采用套管式磁珠，貼片封裝的MOS可以采用類似貼片電阻大小的SMD磁珠。選取磁珠需要查閱其數(shù)據(jù)手冊，確保可以通過至少3A的電流，其峰值抑制頻率應(yīng)在30-100MHz。通常情況下磁珠并不會對驅(qū)動波形產(chǎn)生影響，當(dāng)MOS上流過很大電流導(dǎo)致干擾突然增大時，磁珠才起作用。
（4）合理放置驅(qū)動元器件的位置
對于有圖騰柱驅(qū)動或者三極管輔助放電的驅(qū)動電路，起到輔助和增強作用的電路元件要盡可能靠近MOS。特別是地線，要直接單點與MOS的源級連接，一定要盡量避免在驅(qū)動的地線回路上有主功率部分的電流通過，否則，主功率回路中的大電流會耦合到驅(qū)動回路中，造成驅(qū)動的誤開通和誤關(guān)斷。控制芯片的驅(qū)動信號則要遠離高壓高頻走線。由于芯片的地線往往遠離MOS的源級，因此只有在小功率的應(yīng)用中采用芯片直接驅(qū)動。較大功率或干擾信號強的應(yīng)用還是建議帶有驅(qū)動增強的輔助驅(qū)動電路。
3 Alpha MOS的并聯(lián)及PCB設(shè)計
對于MOS并聯(lián)的情況，首先驅(qū)動電路要盡可能隔離。嚴禁直接將并聯(lián)MOS的驅(qū)動端連在一起。由于MOS的漏極電感，結(jié)電容以及門檻電壓等可能有差異，直接將門極相連會使門極驅(qū)動在開關(guān)過程產(chǎn)生振蕩，如圖13所示，振蕩將在低電抗回路中發(fā)生，嚴重時會導(dǎo)致MOS損壞。驅(qū)動電阻增大可以對并聯(lián)振蕩起到衰減作用，最好嚴格地隔離并聯(lián)驅(qū)動。
圖13：直接并聯(lián)的驅(qū)動干擾模型
圖14所示為常見的并聯(lián)方式，并聯(lián)的MOS分別通過驅(qū)動電阻與圖騰柱電路相連。但這種隔離還不夠徹底，徹底隔離的方式如圖15電路所示，兩個MOS分別經(jīng)過各自獨立的驅(qū)動電路驅(qū)動，只在信號輸出端相連。不管采用哪種驅(qū)動方式，為了提高可靠性，增大驅(qū)動電阻，降低dv/dt(比單管更低)都是必要的。
需要說明的是，在并聯(lián)應(yīng)用中，驅(qū)動受干擾的問題要優(yōu)先于并聯(lián)的不平衡問題。一般的電路中很難保證并聯(lián)的絕對平衡。如果驅(qū)動電路和PCB布局不能兼顧的情況下，可以適當(dāng)犧牲一些平衡性，但驅(qū)動的干擾必須被消除。具體應(yīng)用中需要仔細權(quán)衡。
圖14：常用并聯(lián)驅(qū)動電路
圖15：完全隔離并聯(lián)驅(qū)動電路
并聯(lián)中PCB布局和走線十分重要，越是高速開關(guān)的MOS，對并聯(lián)均衡的要求就越高。不均衡的并聯(lián)，不但會導(dǎo)致單個MOS承受過高的電流沖擊和dv/dt（注意到dv/dt與電流成正比）還會在電流重分配的過程中產(chǎn)生振蕩，干擾驅(qū)動和其他信號。下面是一些MOSFET并聯(lián)的例子，綠色為正面走線，紅色為背面走線。
圖16和圖17是最佳的并聯(lián)走線方式，并聯(lián)的MOS各自漏極和源級的走線長度相同，驅(qū)動走線與主功率走線在不同方向。實際應(yīng)用中可以增大走線面積以取得更好的效果。
圖16：并聯(lián)MOS散熱片獨立
圖17：并聯(lián)MOS散熱片共用(背靠背)
圖18的MOS布局方式在一些中小功率應(yīng)用中比較常見，采用這種走線方式可以取得均衡的效果，但是實際應(yīng)用要注意減少走線長度以減小走線電感。
圖18：并聯(lián)MOS散熱片共用(并排)
圖19是一種不良走線方式，左邊的MOS上串聯(lián)了一段走線電阻和電感，這可能導(dǎo)致右邊MOS的工作電流更大，dv/dt和di/dt也更大
圖19：并聯(lián)MOS散熱片共用(并排)，不良走線
在一些中小功率的實際應(yīng)用中，PCB是單面板，常常采用圖20的方式并聯(lián)。雖然這種方式仍然不能實現(xiàn)走線電感的均衡，但是通過走線露銅涂錫，減少了電阻的不平衡。
圖20：并聯(lián)MOS散熱片共用(并排)，單面板小功率
圖16和圖17的布局方式不是很容易實現(xiàn)，圖21是單面板PCB，并聯(lián)MOS在散熱片拐角處放置，通過增加走線面積和露銅等方式，可以在一定程度上減少不均衡問題。
圖21：并聯(lián)MOS散熱片直角布局，單面板
總結(jié)
Alpha MOS是AOS新一代高壓MOSFET產(chǎn)品，它具有導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，結(jié)電容小的特點。Alpha MOS在PFC的應(yīng)用需要特別謹慎，盡量通過增大Rg，增加Cgs等方法控制dv/dt小于20V/ns，并控制啟動過程抑制沖擊電流。由于Alpha MOS的高速開關(guān)特性，需要注意驅(qū)動電路設(shè)計和PCB版布局，盡量減少干擾，在并聯(lián)應(yīng)用中也需要采用獨立的驅(qū)動電路和合理的PCB走線。