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”導通電阻,降低了總導通電阻。
與其他晶體管拓撲結(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通電阻方面。這相應地降低了損耗,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用。
超結(jié)功率MOSFET輸出電容遲滯效應
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,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.
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