摘要 –當(dāng)一個功率MOSFET管被用在電橋拓?fù)浠蛴米?a target="_blank">電源二次側(cè)同步整流管時，體漏二極管的特性以及品質(zhì)因數(shù)將變得非常重要。當(dāng)需要Qrr 數(shù)值很低的軟反向恢復(fù)時，集成肖特基二極管的新60V ST “F7”功率MOSFET管確保能效和換向性能更加出色。

I.前言

在同步整流和電橋結(jié)構(gòu)中，RDSon 和 Qg 兩個參數(shù)并不是對功率MOSFET管的唯一要求，實(shí)際上，本征體漏二極管的動態(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）影響開關(guān)管在續(xù)流期間（開關(guān)管處于關(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） 不僅影響開關(guān)管在反向恢復(fù)過程的損耗，還影響開關(guān)性能。MOSFET 管的尖峰電壓隨著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，有助于提高開關(guān)管的總體性能，在電橋拓?fù)浠蛴米魍秸鞴軕?yīng)用中，當(dāng)開關(guān)頻率很高且二極管長時間導(dǎo)通時，提升性能的效果特別明顯。本文將在開關(guān)電源和電機(jī)控制環(huán)境中評估內(nèi)置肖特基二極管的新60 V ST MOSFET管的性能，并對比標(biāo)準(zhǔn)器件，重點(diǎn)論述新產(chǎn)品的優(yōu)勢。

II.MOSFET本征體漏二極管和肖特基二極管特性

圖1所示是一個N溝道功率MOSFET管的典型符號。本征體漏二極管由p-body和n--drift兩個區(qū)組成，如下圖所示，體漏二極管與MOSFET管的導(dǎo)電溝道并聯(lián)。

圖 1 – 功率 MOSFET管的符號

一旦選擇了功率MOSFET管，因?yàn)楣杼匦院?a target="_blank">產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原因，其內(nèi)部集成的體二極管的特性也就固定下來。本征體漏二極管與場效應(yīng)管導(dǎo)電溝道并聯(lián)，所以，分析該本征體漏二極管的動靜態(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程中，需要考慮阻斷電壓和正向電流的最大值，同時，研究在功率開關(guān)管導(dǎo)通后的關(guān)斷期間的二極管反向恢復(fù)過程也很重要（圖 2）。當(dāng)二極管正向偏壓變成反向偏壓時，電流不會立即降至零值，因?yàn)橄☉B(tài)期間貯存的電荷需要時間。因此，當(dāng)t = t0時，二極管開始換向操作，電流開始下降，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，反向電流達(dá)到最大值。間隔（t3-t0）被稱為反向恢復(fù)時間（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)。

圖 2 – 二極管反向恢復(fù)過程

軟度因子（） 是快軟恢復(fù)分類標(biāo)準(zhǔn)，這個參數(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產(chǎn)生不想看到的電壓過沖和振鈴效應(yīng)。尖峰電壓可能會高于功率開關(guān)管的擊穿電壓，此外，EMI性能也會惡化。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同時產(chǎn)生耗散功率， 致使系統(tǒng)能效降低。此外，在電橋拓?fù)渲?，下橋臂開關(guān)管的最大反向恢復(fù)電流加到上橋臂開關(guān)電流中，致使耗散功率上升至最大額定值。在體二極管充當(dāng)續(xù)流器件的電橋拓?fù)洹?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/降壓轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">降壓轉(zhuǎn)換器或同步整流等開關(guān)應(yīng)用中，反向恢復(fù)電荷 （Qrr） 減少有助于系統(tǒng)能效最大化，抑制尖峰電壓，降低關(guān)斷時的開關(guān)噪聲。在MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)集成一個肖特基二極管是一個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(dǎo)體區(qū)之間制作一個電觸點(diǎn)。電流主要是與多數(shù)載流子有關(guān)，因?yàn)橘A存電荷少，肖特基二極管正反偏壓切換比其它硅二極管快。此外，肖特基正向壓降（≈0.3 V）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)總體能效時，集成肖特基二極管的新ST 60V MOSFET管是一個正確選擇。圖3列出了標(biāo)準(zhǔn)MOSFET管和集成肖特基的功率開關(guān)管的主要電參數(shù)（兩款產(chǎn)品的BVDSS 和芯片尺寸相同）。

圖 3 – MOSFET管的電參數(shù)

III. 單片肖特基二極管在電源管理環(huán)境中的產(chǎn)品優(yōu)勢

在一個同步降壓轉(zhuǎn)換器（圖4）內(nèi)，集成肖特基二極管的功率MOSFET管可以用作下橋臂開關(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)?/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)：

（1）

（2）

如公式（1）和（2）所示，導(dǎo)通損耗隨著開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換器輸入電壓和輸出電流升高而變大。當(dāng)兩個場效應(yīng)晶體管都是關(guān)斷狀態(tài)，電流經(jīng)過下橋臂體二極管時被稱為死時。死時效應(yīng)嚴(yán)重影響二極管導(dǎo)通損耗：當(dāng)死時較長時，降低體二極管正向壓降有助于導(dǎo)通損耗最小化，提高能效。圖5所示是60W、48V - 12V、250 kHz同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的能效。

圖5 – 同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的能效

現(xiàn)在，我們看一下隔離功率轉(zhuǎn)換器環(huán)境，當(dāng)輸出功率和死時數(shù)值都很大時，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，同時還應(yīng)優(yōu)化體二極管特性（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500W數(shù)字電源內(nèi)對60V標(biāo)準(zhǔn)功率開關(guān)管和內(nèi)置肖特基的功率開關(guān)管進(jìn)行了比較。數(shù)字電源由兩個功率級組成：功率因數(shù)校正器和內(nèi)置同步整流管的LLC諧振電路。最大輸出電流是42 A，滿負(fù)載開關(guān)頻率是80 kHz，死時1μs。圖6是能效曲線比較。

圖6 – 同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的能效

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

IV.在電橋拓?fù)渲懈倪M(jìn)開關(guān)特性

在電橋拓?fù)鋬?nèi)，反向恢復(fù)過程從下橋臂開關(guān)管（圖7中的Q2）續(xù)流結(jié)束時開始，到上橋臂開關(guān)管（圖7中的Q1）開始導(dǎo)通時終止。最終的恢復(fù)電流加到上橋臂電流內(nèi) （如第2頁所述）。連同上橋臂開關(guān)管上的額外電流，下橋臂反向恢復(fù)過程與Vds ≈ 0 V 到 Vdc 換向操作，可能會在下橋臂開關(guān)管柵源電壓上產(chǎn)生雜散跳變電壓，因?yàn)橄聵虮?Ciss （輸入電容）是通過Crss （Miller電容）完成充電過程。

圖7 – 全橋轉(zhuǎn)換器原理圖

結(jié)果，在Q2柵極上感應(yīng)的電壓可能會觸發(fā)開關(guān)，致使系統(tǒng)穩(wěn)健性和能效惡化。電橋下橋臂開關(guān)管應(yīng)該有軟換向功能，在漏源極之間無危險的尖峰電壓和高頻振鈴效應(yīng)。下橋臂開關(guān)管改用內(nèi)置肖特基的功率MOSFET管，即可取得所需的開關(guān)特性。事實(shí)上，其較小的反向恢復(fù)電荷（Qrr）直接影響電壓過沖值，因?yàn)镼rr 值越高，過沖電壓越高。如果 Vds 過沖和振鈴效應(yīng)參數(shù)值較低，下橋臂開關(guān)管柵極雜散跳變電壓將會降低，從而將擊穿風(fēng)險降到最低。此外，因?yàn)殚_關(guān)噪聲降低，軟恢復(fù)還能提高EMI總體性能。圖8所示是標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和內(nèi)置肖特基的MOSFET上橋臂導(dǎo)通波形；不難發(fā)現(xiàn)，集成肖特基二極管的MOSFET下橋臂雜散跳變電壓下降明顯。

圖 8 – 標(biāo)準(zhǔn) FET上橋臂導(dǎo)通 （左）和內(nèi)置肖特基的FET上橋臂導(dǎo)通波形（右）

V. 結(jié)論

為很多應(yīng)用（工業(yè)電機(jī)和開關(guān)電源的同步整流、逆變器、電機(jī)驅(qū)動）選擇適合的MOSFET管時，不僅要考慮 RDSon 和 Qg，還要分析本征體漏二極管的動靜態(tài)特性。當(dāng)需要軟反向恢復(fù)和低 Qrr 時，集成肖特基二極管的60V ST “F7”功率MOSFET管確保功率開關(guān)的能效和換向性能更加出色。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)續(xù)流時間或死時持續(xù)時間長時，肖特基的VF，diode 數(shù)值可讓應(yīng)用取得更高能效。

VI.參考文獻(xiàn)

［1］：“Fundamental of Power Semiconductor Devices”， B.J.Baliga - 2008， Springer Science