導(dǎo)語：

“超結(jié)”技術(shù)憑借其優(yōu)異的性能指標(biāo)，長期主導(dǎo)著耐壓超過600V的功率MOSFET市場。本文闡述了工程師在應(yīng)用超結(jié)功率器件時(shí)需關(guān)注的關(guān)鍵問題，并提出了一種優(yōu)化解決方案，可顯著提升電源應(yīng)用的效率、功率密度及可靠性。

超結(jié)MOSFET通過從基區(qū)延伸P柱形成漂移區(qū)的"電荷平衡"，從而實(shí)現(xiàn)更高摻雜濃度（即更低漂移區(qū)電阻）。但這種擴(kuò)展結(jié)區(qū)會(huì)帶來反向恢復(fù)電荷過大的弊端。

圖1：超結(jié)MOSFET中的P-N結(jié)結(jié)構(gòu)

圖2展示的典型半橋電路中，在低邊MOSFET開啟前的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流會(huì)通過高邊MOSFET的體二極管續(xù)流。當(dāng)?shù)瓦匨OSFET開始導(dǎo)通時(shí)，高邊體二極管的反向恢復(fù)過程會(huì)產(chǎn)生負(fù)向電流尖峰，導(dǎo)致低邊器件出現(xiàn)嚴(yán)重的導(dǎo)通損耗。同時(shí)高邊MOSFET在Tb時(shí)段會(huì)承受高斜率電壓上升和電壓尖峰，可能引發(fā)器件過應(yīng)力。

圖2：半橋電路中的體二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象

最后，如下圖示例所示，當(dāng)前向電流和電流斜率超出器件的安全工作極限時(shí)，體二極管恢復(fù)會(huì)導(dǎo)致600V SJ 器件故障。

圖3案例顯示，當(dāng)正向電流和電流變化率超出安全限值時(shí)，600V超結(jié)器件會(huì)因體二極管恢復(fù)特性導(dǎo)致失效。

值得注意的是，超結(jié)功率器件的體二極管反向恢復(fù)特性深刻影響著電源設(shè)計(jì)中的高壓器件選型。圖4為典型AC/DC電源電路：在PFC級中，由于同步整流FET在目標(biāo)開關(guān)頻率（通常＞50kHz）下反向恢復(fù)導(dǎo)致的開關(guān)損耗過高，因此采用SiC肖特基二極管而非同步整流FET作為高邊器件。

圖4：典型AC/DC電源電路架構(gòu)

在DC-DC級中，采用軟開關(guān)LLC電路，高壓器件在正常工作模式下不會(huì)發(fā)生硬換向。器件的硬換向會(huì)導(dǎo)致體二極管反向恢復(fù)；因此，在本例中不會(huì)出現(xiàn)硬換向。然而，在啟動(dòng)和短路瞬變等異常工作條件下，LLC電路中可能會(huì)發(fā)生硬換向。LLC電路的控制器設(shè)計(jì)通常需要針對此類瞬變的保護(hù)措施。如果未能防止LLC電路中的硬換向，則可能會(huì)由于體二極管反向恢復(fù)瞬變非常迅速而導(dǎo)致高壓器件故障。

在某些情況下，高壓器件體二極管的反向恢復(fù)是不可避免的。例如，在帶有數(shù)字控制器的大功率LLC轉(zhuǎn)換器中，逐周期硬換向保護(hù)功能不可用。在高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，高端和低端開關(guān)都需要有源器件（MOSFET/IGBT）。在這些應(yīng)用中，提高體二極管在反向恢復(fù)電荷和可靠性方面的性能是高壓功率器件的關(guān)鍵要求。

優(yōu)化解決方案： aMOS? FRD技術(shù)

Alpha and Omega Semiconductor（AOS）開發(fā)的aMOS5 FRD MOSFET平臺專門針對低反向恢復(fù)電荷和開關(guān)魯棒性優(yōu)化。該技術(shù)采用電子輻照來控制雙極載流子在反向恢復(fù)階段的壽命。電子輻照會(huì)產(chǎn)生缺陷作為復(fù)合中心，并加速FRD 在正向偏置和反向恢復(fù)階段的電子/空穴對復(fù)合過程，從而顯著減少 FRD 漂移區(qū)中存儲(chǔ)的過量電荷總量。

對比相同超結(jié)結(jié)構(gòu)但采用不同載流子壽命控制技術(shù)的Qrr波形，經(jīng)電子輻照處理的器件Qrr值顯著降低。抑制Qrr意味著通過FRD的功率尖峰更小，從而降低熱失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖5：電子輻照控制的反向恢復(fù)波形

需特別關(guān)注的是，MOSFET有源區(qū)/終端過渡區(qū)因面積有限且電流密度高，最易發(fā)生反向恢復(fù)失效。aMOS5平臺采用保守的終端設(shè)計(jì)使過渡區(qū)電場均勻分布，這種優(yōu)化可防止反向恢復(fù)階段因功率密度過高導(dǎo)致的局部熱點(diǎn)燒毀。

表1：AOK042A60FD體二極管反向恢復(fù)魯棒性測試結(jié)果

測試結(jié)論

AOS aMOS5 FRD MOSFET通過了體二極管反向恢復(fù)安全操作驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)詳見器件規(guī)格書。圖6展示了AOK042A60FD（600V/42mΩ aMOS5超結(jié)MOSFET）與兩款規(guī)格相近競品的對比測試波形（測試條件：VDD=400V，IF=50A，di/dt=1000A/μs）。如表1所示，該器件在200°C高溫下仍保持穩(wěn)定，而競品在更低溫度下即出現(xiàn)失效。

圖6：AOK042A60FD與競品的體二極管反向恢復(fù)測試波形對比

值得注意的是，在Tb周期波形中，AOK042A60FD表現(xiàn)出最低的漏極電壓變化率。這一特性不僅有助于器件在嚴(yán)苛的反向恢復(fù)瞬態(tài)中保持穩(wěn)定，還能有效改善電磁干擾（EMI）性能。測試結(jié)果表明，AOS的αMOS5 FRD超結(jié)器件在反向恢復(fù)瞬態(tài)過程中具有卓越的體二極管魯棒性，這對于LLC諧振轉(zhuǎn)換器等橋式拓?fù)鋺?yīng)用至關(guān)重要——它能確保系統(tǒng)在異常和瞬態(tài)工況下依然保持最高等級的運(yùn)行可靠性。