在同步整流和電橋結(jié)構(gòu)中，RDSon和Qg兩個(gè)參數(shù)并不是對(duì)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(duì)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(xù)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(fù)電荷(Qrr)不僅影響開(kāi)關(guān)在反向恢復(fù)過(guò)程的損耗，還影響開(kāi)關(guān)性能。

MOSFET的尖峰電壓隨著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?fù)浠蛴米魍秸髌鲬?yīng)用中，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率很高且二極管長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)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(jī)控制環(huán)境中評(píng)估內(nèi)置肖特基二極管的新60V MOSFET的性能，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)器件，重點(diǎn)論述新60V MOSFET的優(yōu)勢(shì)。

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(hào)。本征體漏二極管由p-body和n-drift兩個(gè)區(qū)組成，如圖1所示，體漏二極管與MOSFET的導(dǎo)電溝道并聯(lián)。

圖1 功率MOSFET管的符號(hào)。

一旦選擇了功率MOSFET，因?yàn)楣杼匦院彤a(chǎn)品設(shè)計(jì)的原因，其內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)通后關(guān)斷期間的二極管反向恢復(fù)過(guò)程也很重要(圖2)。

圖2 二極管反向恢復(fù)過(guò)程。

當(dāng)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?yàn)橄☉B(tài)期間儲(chǔ)存的電荷需要時(shí)間。因此，當(dāng)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(dá)到電源電壓；在t=t2時(shí)，反向電流達(dá)到最大值。間隔(t3-t0)被稱為反向恢復(fù)時(shí)間(trr)，而負(fù)電流與零線之間的區(qū)域是反向恢復(fù)電荷(Qrr)。tB期間的電流斜率主要與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和硅特性有關(guān)。

軟度因子是軟度與快速恢復(fù)分類標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)參數(shù)在很多應(yīng)用領(lǐng)域都十分重要。軟度因子越大，反向恢復(fù)軟度越高。實(shí)際上，如果tB區(qū)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(yīng)。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(fù)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(tǒng)性能降低。

此外，在電橋拓?fù)渲?，下橋臂開(kāi)關(guān)的最大反向恢復(fù)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(dāng)續(xù)流器件的電橋拓?fù)?、降壓轉(zhuǎn)換器或同步整流等開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，反向恢復(fù)電荷(Qrr)減少有助于系統(tǒng)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(jié)構(gòu)內(nèi)集成一個(gè)肖特基二極管是一個(gè)效果不錯(cuò)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(dǎo)體區(qū)之間制作一個(gè)電觸點(diǎn)，電流主要是與多數(shù)載流子有關(guān)，因?yàn)閮?chǔ)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(biāo)準(zhǔn)硅二極管低，這意味著肖特基的通態(tài)功率損耗小。

當(dāng)只有優(yōu)化Qrr和VF,diode才能提高系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)MOSFET和集成肖特基的功率開(kāi)關(guān)的主要電參數(shù)(兩款產(chǎn)品的BVDSS和芯片尺寸相同)。

圖3 MOSFET的電參數(shù)。

單片肖特基二極管在電源管理環(huán)境的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

在一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器(圖4)內(nèi)，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(zhuǎn)換器的總體性能。

圖4 單相同步整流降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

事實(shí)上，下橋臂體二極管導(dǎo)通損耗(Pdiode,cond)和反向恢復(fù)損耗(PQrr)與二極管正向壓降(VF,diode)及其反向恢復(fù)電荷(Qrr)密切相關(guān)：

如公式(1)和(2)所示，導(dǎo)通損耗隨著開(kāi)關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換器輸入電壓和輸出電流升高而變大。當(dāng)兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)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)被稱為死區(qū)時(shí)間(dead time)，嚴(yán)重影響二極管導(dǎo)通損耗：當(dāng)空載時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，降低體二極管正向壓降有助于導(dǎo)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(zhuǎn)換器的性能。

圖5 同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的性能。

現(xiàn)在，觀察隔離功率轉(zhuǎn)換器環(huán)境，當(dāng)輸出功率和空載時(shí)間數(shù)值都很大時(shí)，理想的二次側(cè)同步整流器不僅具有盡可能小的RDSon導(dǎo)通電阻，以降低導(dǎo)通損耗，同時(shí)還應(yīng)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(shù)字電源內(nèi)對(duì)60V標(biāo)準(zhǔn)功率開(kāi)關(guān)和內(nèi)置肖特基的功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行比較。數(shù)字電源由兩個(gè)功率級(jí)組成：功率因子校正器和內(nèi)置同步整流器的LLC諧振電路，最大輸出電流是42A、滿負(fù)載開(kāi)關(guān)頻率是80kHz、空載時(shí)間1μs。圖6是性能曲線比較。

圖6 同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的性能。

在兩個(gè)拓?fù)鋬?nèi)，60V內(nèi)置肖特基二極管的器件在整個(gè)電流范圍內(nèi)性能表現(xiàn)更好，從而提高了系統(tǒng)總體性能。

在電橋拓?fù)渲懈纳崎_(kāi)關(guān)特性

在電橋拓?fù)鋬?nèi)，反向恢復(fù)過(guò)程從下橋臂開(kāi)關(guān)(圖7中的Q2)續(xù)流結(jié)束時(shí)開(kāi)始，到上橋臂開(kāi)關(guān)(圖7中的Q1)開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)終止，且最終的恢復(fù)電流加到上橋臂電流內(nèi)。連同上橋臂開(kāi)關(guān)上的額外電流，下橋臂反向恢復(fù)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?yàn)橄聵虮跜iss(輸入電容)是透過(guò)Crss(Miller電容)完成充電過(guò)程。

圖7 全橋轉(zhuǎn)換器原理圖。

結(jié)果，在Q2柵極上感應(yīng)的電壓可能會(huì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，致使系統(tǒng)穩(wěn)健性和性能惡化。電橋下橋臂開(kāi)關(guān)應(yīng)該有軟換向功能，在漏源極之間無(wú)危險(xiǎn)的尖峰電壓和高頻振鈴效應(yīng)，下橋臂開(kāi)關(guān)改用內(nèi)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(fù)電荷(Qrr)直接影響電壓過(guò)沖值，因?yàn)镼rr值越高，過(guò)沖電壓越高。如果Vds過(guò)沖和振鈴效應(yīng)參數(shù)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(xiǎn)降到最低。此外，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)噪聲降低，軟恢復(fù)還能提高EMI總體性能。從標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和內(nèi)置肖特基MOSFET上橋臂導(dǎo)通波形來(lái)看，不難發(fā)現(xiàn)，集成肖特基二極管MOSFET下橋臂雜散跳變電壓下降明顯。

結(jié)論

為很多應(yīng)用(工業(yè)電機(jī)和開(kāi)關(guān)電源的同步整流、逆變器、電機(jī)驅(qū)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(dāng)需要軟反向恢復(fù)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(yīng)用中，當(dāng)續(xù)流時(shí)間或空載時(shí)間持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，肖特基的VF,diode數(shù)值可讓應(yīng)用取得更高性能。

（文章轉(zhuǎn)載自EDN臺(tái)灣版）