在同步整流和電橋結構中,RDSon和Qg兩個參數並不是對功率MOSFET的唯一要求,實際上,本徵體汲二極體的動態特性對MOSFET整體性能影響很大。體汲二極體的正向壓降(VF,diode)影響開關在續流期間(開關處於關斷狀態,電流從源極經本徵二極體流至漏極)的功率損耗;反向恢復電荷(Qrr)不僅影響開關在反向恢復過程的損耗,還影響開關性能。

MOSFET的尖峰電壓隨著Qrr升高而升高,因此,VFD和Qrr較低的二極體,例如蕭特基二極體,有助於提高開關的總體性能,在電橋拓撲或用作同步整流器應用中,當開關頻率很高且二極體長時間導通時,提升性能的效果特別明顯。本文將在開關電源和馬達控制環境中評估內建蕭特基二極體的新60V MOSFET的性能,並對比標準元件,重點論述新60V MOSFET的優勢。

MOSFET本徵體汲二極體和蕭特基二極體特性

圖1所示是一個N溝道功率MOSFET的典型符號。本徵體汲二極體由p-body和n--drift兩個區組成,如圖1所示,體汲二極體與MOSFET的導電溝道並聯。

20171124TA01P1 圖1 功率MOSFET管的符號。

一旦選擇了功率MOSFET,因為矽特性和產品設計的原因,其內部整合的本體二極體的特性也就固定下來。本徵體汲二極體與元件通道並聯,所以,分析該本徵體汲二極體的動靜態特性,特別是在二極體導通條件下,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,研究在功率開關導通後關斷期間的二極體反向恢復過程也很重要(圖2)。

20171124TA01P2 圖2 二極體反向恢復過程。

當二極體正向偏壓變成反向偏壓時,電流不會立即降至零值,因為消除通態期間儲存的電荷需要時間。因此,當t=t0時,二極體開始換向操作,電流開始下降,下降斜率(-a)恆定,外部電感和電源電壓是決定斜率的唯一因素。在t1之前,二極體被施加正向偏壓,從t1到t2,二極體壓降上升,達到電源電壓;在t=t2時,反向電流達到最大值。間隔(t3-t0)被稱為反向恢復時間(trr),而負電流與零線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品設計和矽特性有關。

軟度因數是軟度與快速恢復分類標準,這個參數在很多應用領域都十分重要。軟度因數越大,反向恢復軟度越高。實際上,如果tB區非常短,電流快速變化與電路本徵電感就會產生不想看到的電壓過衝和振鈴效應。尖峰電壓可能會高於功率開關管的擊穿電壓,此外,EMI性能也會惡化。如圖2所示,在二極體反向恢復期間,大電流和高反向電壓會同時產生耗散功率,致使系統效能降低。

此外,在電橋拓撲中,下橋臂開關的最大反向恢復電流加到上橋臂開關電流中,致使耗散功率上升至最大額定值。在本體二極體充當續流元件的電橋拓撲、降壓轉換器或同步整流等開關應用中,反向恢復電荷(Qrr)減少有助於系統效能最大化,抑制尖 峰電壓,降低關斷時的開關雜訊。在MOSFET結構內整合一個蕭特基二極體是一個效果不錯的解決方案。整合蕭特基二極體的方法是在金屬薄膜層與半導體區之間製作一個電觸點,電流主要是與多數載流子有關,因為儲存電荷少,蕭特基二極體正反偏壓切換比其他矽二極體快。此外,蕭特基正向壓降(≈.0.3V)比標準矽二極體低,這意味著蕭特基的通態功率損耗小。

當只有最佳化Qrr和VF,diode才能提高系統總體效能時,整合蕭特基二極體的新60V MOSFET是一個正確選擇。圖3列出了標準MOSFET和整合蕭特基的功率開關的主要電參數(兩款產品的BVDSS和晶片尺寸相同)。

20171124TA01P3 圖3 MOSFET的電參數。

單片蕭特基二極體在電源管理環境的產品優勢

在一個同步降壓轉換器(圖4)內,整合蕭特基二極體的功率MOSFET可以用作下橋臂開關(S2),以提高轉換器的總體性能。

20171124TA01P4 圖4 單相同步整流降壓轉換器拓撲。

事實上,下橋臂體二極體導通損耗(Pdiode,cond)和反向恢復損耗(PQrr)與二極體正向壓降(VF,diode)及其反向恢復電荷(Qrr)密切相關:

20171124TA01P4-1

如公式(1)和(2)所示,導通損耗隨著開關頻率、轉換器輸入電壓和輸出電流升高而變大。當兩個場效應電晶體都是關斷狀態,電流經過下橋臂本體二極體時被稱為空載時間(dead time),嚴重影響二極體導通損耗:當空載時間較長時,降低體二極體正向壓降有助於導通損耗最小化,提高效能。圖5所示是60W、48V~12V、250kHz同步整流降壓轉換器的效能。

20171124TA01P5 圖5 同步整流降壓轉換器的效能。

現在,觀察隔離功率轉換器環境,當輸出功率和空載時間數值都很大時,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,同時還應最佳化本體二極體特性(Qrr和VF,diode),以降低二極體損耗(圖1和2),以最大限度降低關斷尖峰電壓。本文在一個500W數位電源內對60V標準功率開關和內建蕭特基的功率開關進行比較。數位電源由兩個功率級組成:功率因數校正器和內建同步整流器的LLC諧振電路,最大輸出電流是42A、滿負載開關頻率是80kHz、空載時間1μs。圖6是效能曲線比較。

20170407NP01P6 圖6 同步整流降壓轉換器的效能。

在兩個拓撲內,60V內建蕭特基二極體的元件在整個電流範圍內效能表現更好,從而提高了系統總體性能。

在電橋拓撲中改善開關特性

在電橋拓撲內,反向恢復過程從下橋臂開關(圖7中的Q2)續流結束時開始,到上橋臂開關(圖7中的Q1)開始導通時終止,且最終的恢復電流加到上橋臂電流內。連同上橋臂開關上的額外電流,下橋臂反向恢復過程與Vds≈0V到Vdc換向操作,可能會在下橋臂開關閘源電壓上產生雜散跳變電壓,因為下橋臂Ciss(輸入電容)是透過Crss(Miller電容)完成充電過程。

20171124TA01P7** 圖7 全橋轉換器原理圖。

結果,在Q2閘極上感應的電壓可能會觸發開關,致使系統穩健性和效能惡化。電橋下橋臂開關應該有軟換向功能,在汲源極之間無危險的尖峰電壓和高頻振鈴效應,下橋臂開關改用內建蕭特基的功率MOSFET,即可取得所需的開關特性。事實上,其較小的反向恢復電荷(Qrr)直接影響電壓過衝值,因為Qrr值越高,過衝電壓越高。如果Vds過衝和振鈴效應參數值較低,下橋臂開關閘極雜散跳變電壓將會降低,從而將擊穿風險降到最低。此外,因為開關雜訊降低,軟恢復還能提高EMI總體性能。從標準MOSFET和內建蕭特基MOSFET上橋臂導通波形來看,不難發現,整合蕭特基二極體MOSFET下橋臂雜散跳變電壓下降明顯。

結論

為很多應用(工業馬達和開關電源的同步整流、逆變器、馬達驅動)選擇適合的MOSFET時,不僅要考慮RDSon和Qg,還要分析本徵體汲二極體的動靜態特性。當需要軟反向恢復和低Qrr時,整合蕭特基二極體的60V F7功率MOSFET確保功率開關的效能和換向性能更加出色。此外,在實際應用中,當續流時間或空載時間持續時間長時,蕭特基的VF,diode數值可讓應用取得更高能效能。