功率VDMOS的EMI分析与抑制技术

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功率电子器件是电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)的发射机。由于近年来科学技术的发展和功率半导体器件开关性能的不断改善,开关频率不断增加,电磁兼容成为一个重要的课题。功率VDMOS(Vertical Double-Diffused MOSFET)器件作为功率开关管被应用于不同工业领域中,器件工作在on/off的快速循环转换状态,开关瞬态的电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt急剧变化,会产生很高的EMI并辐射至周围电路。基于此,本论文从VDMOS器件本身而非电路角度来研究其EMI特性,优化VDMOS器件参数,降低其在电源工作时的电磁干扰,不仅可以大大简化线路工程师的EMI设计,还可以降低系统成本,提高可靠性,对提升器件的市场竞争力有明显优势。首先,本论文从理论层面分析了功率VDMOS的EMI产生机理。功率VDMOS在高频开关过程中栅电容快速充放电造成的高di/dt和dv/dt是产生EMI的主要原因。具体地,VDMOS的EMI产生机理包括寄生电容引发的振荡、栅极电压的振荡、漏极电压的振荡以及寄生体二极管引发的振荡四个方面。然后,从优化VDMOS寄生参数和优化体二极管软度因子的角度提出了功率VDMOS的EMI抑制技术。进一步地,通过仿真软件MEDICI对影响VDMOS器件EMI性能的参数进行了仿真验证。具体通过改变不同寄生参数的值来分析它们对VDMOS关断特性的影响,以关断过程中电流、电压波形的振荡幅值(电流尖峰、电压尖峰)来表征VDMOS本身所形成的EMI的强弱。仿真发现,栅电阻RG越大,寄生栅电容越大,寄生电感LD越小,VDMOS关断瞬态的电压和电流波形的振荡幅值和振荡次数明显减小,EMI减小,与理论分析相符。最后,结合两款VDMOS产品在实际应用电路中的EMI测试结果和它们本身的动态参数测试结果进行对比分析,进一步验证了VDMOS开关过程中较大的di/dt和dv/dt可产生更严重的EMI,且适当增加其栅极电阻RG、寄生电容CGS和CGD,减小漏极寄生电感LD,提高寄生体二极管软度因子S是抑制VDMOS EMI的有效措施。
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