超级结 MOSFET (SJ-MOS)英文名称叫Super Junction MOSFET。为了解决额定电压提高而导通电阻增加的问题,超结结构MOSFET在D端和S端排列多个垂直pn结的结构,其结果是在保持高电压的同时实现了低导通电阻。超级结的存在大大突破了硅的理论极限,而且额定电压越高,导通电阻的下降越明显。
超级结MOSFET超越了平面制造工艺(基于单个p-n结),具有多个垂直p-n结的结构。最终实现了在多条平行路径上“共享”导通电阻,降低了总导通电阻。
与其他晶体管拓扑结构相比,它具有明显的优势,特别是在按面积计算的导通电阻方面。这相应地降低了损耗,意味着它不仅价格更加低廉,还可在无需散热的情况下,用于切换更高电压和电流的应用。
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.
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文献中的波形
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