當(dāng)一個功率MOSFET被用在電橋拓?fù)浠蛴米麟娫炊蝹?cè)同步整流時,體漏二極管的特性及質(zhì)量因子將變得非常重要。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“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(jié)構(gòu)中,RDSon和Qg兩個參數(shù)并不是對功率MOSFET的唯一要求,實際上,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)在續(xù)流期間(開關(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)不僅影響開關(guān)在反向恢復(fù)過程的損耗,還影響開關(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60V MOSFET的性能,并對比標(biāo)準(zhǔn)器件,重點論述新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)。
一旦選擇了功率MOSFET,因為硅特性和產(chǎn)品設(shè)計的原因,其內(nèi)部集成的本體二極管的特性也就固定下來。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)導(dǎo)通后關(guān)斷期間的二極管反向恢復(fù)過程也很重要(圖2)。
圖2 二極管反向恢復(fù)過程。
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,因為消除通態(tài)期間儲存的電荷需要時間。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)性能降低。
此外,在電橋拓?fù)渲校聵虮坶_關(guān)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,電流主要是與多數(shù)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(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,集成肖特基二極管的新60V MOSFET是一個正確選擇。圖3列出了標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和集成肖特基的功率開關(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
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)洹?/span>
事實上,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)過下橋臂本體二極管時被稱為死區(qū)時間(dead time),嚴(yán)重影響二極管導(dǎo)通損耗:當(dāng)空載時間較長時,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)輸出功率和空載時間數(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500W數(shù)字電源內(nèi)對60V標(biāo)準(zhǔn)功率開關(guān)和內(nèi)置肖特基的功率開關(guān)進(jìn)行比較。數(shù)字電源由兩個功率級組成: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)載開關(guān)頻率是80kHz、空載時間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。
在兩個拓?fù)鋬?nèi),60V內(nèi)置肖特基二極管的器件在整個電流范圍內(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_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)(圖7中的Q2)續(xù)流結(jié)束時開始,到上橋臂開關(guān)(圖7中的Q1)開始導(dǎo)通時終止,且最終的恢復(fù)電流加到上橋臂電流內(nèi)。連同上橋臂開關(guān)上的額外電流,下橋臂反向恢復(fù)過程與Vds≈0V到Vdc換向操作,可能會在下橋臂開關(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)健性和性能惡化。電橋下橋臂開關(guān)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)改用內(nèi)置肖特基的功率MOSFET,即可取得所需的開關(guān)特性。事實上,其較小的反向恢復(fù)電荷(Qrr)直接影響電壓過沖值,因為Qrr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)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,因為開關(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)和開關(guān)電源的同步整流、逆變器、電機(jī)驅(qū)動)選擇適合的MOSFET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 F7功率MOSFET確保功率開關(guān)的性能和換向性能更加出色。此外,在實際應(yīng)用中,當(dāng)續(xù)流時間或空載時間持續(xù)時間長時,肖特基的VF,diode數(shù)值可讓應(yīng)用取得更高性能。
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