當一個(gè)功率MOSFET被用在電橋拓撲或用作電源二次側同步整流時(shí)，體漏二極管的特性及質(zhì)量因子將變得非常重要。當需要Qrr數值很低的軟反向恢復時(shí)，集成肖特基二極管的新60V“F7”功率MOSFET確保能效和換向性能更加出色。
在同步整流和電橋結構中，RDSon和Qg兩個(gè)參數并不是對功率MOSFET的唯一要求，實(shí)際上，本征體漏二極管的動(dòng)態(tài)特性對MOSFET整體性能影響很大。體漏二極管的正向壓降(VF,diode)影響開(kāi)關(guān)在續流期間(開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，電流從源極經(jīng)本征二極管流至漏極)的功率損耗；反向恢復電荷(Qrr)不僅影響開(kāi)關(guān)在反向恢復過(guò)程的損耗，還影響開(kāi)關(guān)性能。
MOSFET的尖峰電壓隨著(zhù)Qrr升高而升高，因此，VFD和Qrr較低的二極管，例如肖特基二極管，有助于提高開(kāi)關(guān)的總體性能，在電橋拓撲或用作同步整流器應用中，當開(kāi)關(guān)頻率很高且二極管長(cháng)時(shí)間導通時(shí)，提升性能的效果特別明顯。本文將在開(kāi)關(guān)電源和電機控制環(huán)境中評估內置肖特基二極管的新60V MOSFET的性能，并對比標準器件，重點(diǎn)論述新60V MOSFET的優(yōu)勢。
MOSFET本征體漏二極管和肖特基二極管特性
圖1所示是一個(gè)N溝道功率MOSFET的典型符號。本征體漏二極管由p-body和n-drift兩個(gè)區組成，如圖1所示，體漏二極管與MOSFET的導電溝道并聯(lián)。
一旦選擇了功率MOSFET，因為硅特性和產(chǎn)品設計的原因，其內部集成的本體二極管的特性也就固定下來(lái)。本征體漏二極管與器件信道并聯(lián)，所以，分析該本征體漏二極管的動(dòng)靜態(tài)特性，特別是在二極管導通條件下，具有重要意義。因此，在反向和正向偏壓過(guò)程中，需要考慮阻斷電壓和正向電流的最大值，同時(shí)，研究在功率開(kāi)關(guān)導通后關(guān)斷期間的二極管反向恢復過(guò)程也很重要(圖2)。
圖2 二極管反向恢復過(guò)程。
當二極管正向偏壓變成反向偏壓時(shí)，電流不會(huì )立即降至零值，因為消除通態(tài)期間儲存的電荷需要時(shí)間。因此，當t=t0時(shí)，二極管開(kāi)始換向操作，電流開(kāi)始下降，下降斜率(-a)恒定，外部電感和電源電壓是決定斜率的唯一因素。在t1之前，二極管被施加正向偏壓，從t1到t2，二極管壓降上升，達到電源電壓；在t=t2時(shí)，反向電流達到最大值。間隔(t3-t0)被稱(chēng)為反向恢復時(shí)間(trr)，而負電流與零線(xiàn)之間的區域是反向恢復電荷(Qrr)。tB期間的電流斜率主要與產(chǎn)品設計和硅特性有關(guān)。
軟度因子是軟度與快速恢復分類(lèi)標準，這個(gè)參數在很多應用領(lǐng)域都十分重要。軟度因子越大，反向恢復軟度越高。實(shí)際上，如果tB區非常短，電流快速變化與電路本征電感就會(huì )產(chǎn)生不想看到的電壓過(guò)沖和振鈴效應。尖峰電壓可能會(huì )高于功率開(kāi)關(guān)管的擊穿電壓，此外，EMI性能也會(huì )惡化。如圖2所示，在二極管反向恢復期間，大電流和高反向電壓會(huì )同時(shí)產(chǎn)生耗散功率，致使系統性能降低。
此外，在電橋拓撲中，下橋臂開(kāi)關(guān)的最大反向恢復電流加到上橋臂開(kāi)關(guān)電流中，致使耗散功率上升至最大額定值。在本體二極管充當續流器件的電橋拓撲、降壓轉換器或同步整流等開(kāi)關(guān)應用中，反向恢復電荷(Qrr)減少有助于系統性能最大化，抑制尖 峰電壓，降低關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲。在MOSFET結構內集成一個(gè)肖特基二極管是一個(gè)效果不錯的解決方案。集成肖特基二極管的方法是在金屬薄膜層與半導體區之間制作一個(gè)電觸點(diǎn)，電流主要是與多數載流子有關(guān)，因為儲存電荷少，肖特基二極管正反偏壓切換比其他硅二極管快。此外，肖特基正向壓降(≈0.3V)比標準硅二極管低，這意味著(zhù)肖特基的通態(tài)功率損耗小。
當只有優(yōu)化Qrr和VF,diode才能提高系統總體性能時(shí)，集成肖特基二極管的新60V MOSFET是一個(gè)正確選擇。圖3列出了標準MOSFET和集成肖特基的功率開(kāi)關(guān)的主要電參數(兩款產(chǎn)品的BVDSS和芯片尺寸相同)。
圖3 MOSFET的電參數。
單片肖特基二極管在電源管理環(huán)境的產(chǎn)品優(yōu)勢
在一個(gè)同步降壓轉換器(圖4)內，集成肖特基二極管的功率MOSFET可以用作下橋臂開(kāi)關(guān)(S2)，以提高轉換器的總體性能。
圖4 單相同步整流降壓轉換器拓撲。
事實(shí)上，下橋臂體二極管導通損耗(Pdiode,cond)和反向恢復損耗(PQrr)與二極管正向壓降(VF,diode)及其反向恢復電荷(Qrr)密切相關(guān)：
如公式(1)和(2)所示，導通損耗隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率、轉換器輸入電壓和輸出電流升高而變大。當兩個(gè)場(chǎng)效應晶體管都是關(guān)斷狀態(tài)，電流經(jīng)過(guò)下橋臂本體二極管時(shí)被稱(chēng)為死區時(shí)間(dead time)，嚴重影響二極管導通損耗：當空載時(shí)間較長(cháng)時(shí)，降低體二極管正向壓降有助于導通損耗最小化，提高性能。圖5所示是60W、48V~12V、250kHz同步整流降壓轉換器的性能。
圖5 同步整流降壓轉換器的性能。
現在，觀(guān)察隔離功率轉換器環(huán)境，當輸出功率和空載時(shí)間數值都很大時(shí)，理想的二次側同步整流器不僅具有盡可能小的RDSon導通電阻，以降低導通損耗，同時(shí)還應優(yōu)化本體二極管特性(Qrr和VF,diode)，以降低二極管損耗(圖1和2)，以最大限度降低關(guān)斷尖峰電壓。本文在一個(gè)500W數字電源內對60V標準功率開(kāi)關(guān)和內置肖特基的功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行比較。數字電源由兩個(gè)功率級組成：功率因子校正器和內置同步整流器的LLC諧振電路，最大輸出電流是42A、滿(mǎn)負載開(kāi)關(guān)頻率是80kHz、空載時(shí)間1μs。圖6是性能曲線(xiàn)比較。
圖6 同步整流降壓轉換器的性能。
在兩個(gè)拓撲內，60V內置肖特基二極管的器件在整個(gè)電流范圍內性能表現更好，從而提高了系統總體性能。
在電橋拓撲中改善開(kāi)關(guān)特性
在電橋拓撲內，反向恢復過(guò)程從下橋臂開(kāi)關(guān)(圖7中的Q2)續流結束時(shí)開(kāi)始，到上橋臂開(kāi)關(guān)(圖7中的Q1)開(kāi)始導通時(shí)終止，且最終的恢復電流加到上橋臂電流內。連同上橋臂開(kāi)關(guān)上的額外電流，下橋臂反向恢復過(guò)程與Vds≈0V到Vdc換向操作，可能會(huì )在下橋臂開(kāi)關(guān)閘源電壓上產(chǎn)生雜散跳變電壓，因為下橋臂Ciss(輸入電容)是透過(guò)Crss(Miller電容)完成充電過(guò)程。
圖7 全橋轉換器原理圖。
結果，在Q2柵極上感應的電壓可能會(huì )觸發(fā)開(kāi)關(guān)，致使系統穩健性和性能惡化。電橋下橋臂開(kāi)關(guān)應該有軟換向功能，在漏源極之間無(wú)危險的尖峰電壓和高頻振鈴效應，下橋臂開(kāi)關(guān)改用內置肖特基的功率MOSFET，即可取得所需的開(kāi)關(guān)特性。事實(shí)上，其較小的反向恢復電荷(Qrr)直接影響電壓過(guò)沖值，因為Qrr值越高，過(guò)沖電壓越高。如果Vds過(guò)沖和振鈴效應參數值較低，下橋臂開(kāi)關(guān)柵極雜散跳變電壓將會(huì )降低，從而將擊穿風(fēng)險降到最低。此外，因為開(kāi)關(guān)噪聲降低，軟恢復還能提高EMI總體性能。從標準MOSFET和內置肖特基MOSFET上橋臂導通波形來(lái)看，不難發(fā)現，集成肖特基二極管MOSFET下橋臂雜散跳變電壓下降明顯。
結論
為很多應用(工業(yè)電機和開(kāi)關(guān)電源的同步整流、逆變器、電機驅動(dòng))選擇適合的MOSFET時(shí)，不僅要考慮RDSon和Qg，還要分析本征體漏二極管的動(dòng)靜態(tài)特性。當需要軟反向恢復和低Qrr時(shí)，集成肖特基二極管的60V F7功率MOSFET確保功率開(kāi)關(guān)的性能和換向性能更加出色。此外，在實(shí)際應用中，當續流時(shí)間或空載時(shí)間持續時(shí)間長(cháng)時(shí)，肖特基的VF,diode數值可讓?xiě)萌〉酶咝阅堋?br />
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