在电源中使用快速恢复二极管 MOSFET

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-14 16:30:51

  “超级结”技术凭借其优异的品质因数在击穿电压超过 600 V 的功率 MOSFET 市场占据主导地位。工程师在设计基于超级结的功率器件时必须考虑某些因素,以提高电源应用的效率、功率密度和可靠性。

  如图 1 所示,首先要考虑的一点是,P 柱从基区延伸,在漂移区形成“电荷平衡”,以获得更高的掺杂浓度,即相应区域的电阻更低。扩展的结区会导致反向恢复电荷过多的缺点。

  图 1. 超级结 MOSFET 中的 PN 结。图片由Bodo's Power Systems提供  [PDF]

  图 2 显示了典型的半桥配置,其中电流在低侧 MOSFET 导通之前的死区时间内通过高侧 MOSFET 的体二极管自由流动。体二极管反向恢复发生在低侧 MOSFET 开始导通时。由于高侧 MOSFET 的反向恢复电荷,低侧 MOSFET 会出现负电流尖峰。这会导致低侧 MOSFET 的导通损耗过大。同时,高侧 MOSFET 在 Tb 期间会出现高斜率电压上升和尖峰电压,这可能导致器件过载。

  图 2. 半桥电路中的体二极管反向恢复。图片由 Bodo's Power Systems  [PDF]提供

  终,如图 3 中的示例所示,当正向电流和电流斜率超出器件的安全工作极,体二极管恢复会导致 600 V 超结器件故障。

  

    图片由 Bodo's Power Systems提供

  图 3. 说明由体二极管反向恢复引起的设备故障。图片由 Bodo's Power Systems提供 
  需要注意的一个问题是,超结型功率器件中的体二极管反向恢复对电源设计中高压功率器件的选择影响很大。图 4 显示了交流/直流电源中的典型电路。在功率因数校正阶段,使用 SiC 肖特基二极管代替同步整流器 FET 作为高端器件,因为同步整流器的反向恢复引起的开关损耗对于目标开关频率(通常在 50 kHz 以上)来说太高。
  在 DC-DC 级中,使用软开关 LLC 电路,高压器件在正常运行模式下不会发生硬换向。器件的硬换向会导致体二极管反向恢复;因此,在这种情况下不会出现这种情况。但是,在启动和短路瞬变等异常运行条件下,LLC 电路中可能会发生硬换向。LLC 电路的控制器设计通常需要针对此类瞬变的保护。如果无法防止 LLC 电路中的硬换向,则可能会由于非常迅速的体二极管反向恢复瞬变而导致高压器件故障。

  在某些情况下,高压器件体二极管反向恢复是无法避免的。例如,在带有数字控制器的高功率 LLC 转换器中,逐周期硬换向保护是不可用的。在高压电机驱动应用中,高侧和低侧开关都需要有源器件 (MOSFET/IGBT)。在这些应用中,改进体二极管在反向恢复电荷和可靠性方面的性能是高压功率器件的关键要求。

  图 4. 典型的 AC/DC 电源电路结构。图片由 Bodo's Power Systems 提供
  αMOS5快速恢复二极管技术
  Alpha and Omega Semiconductor (AOS) 开发的 αMOS5 快速恢复二极管 (FRD) MOSFET 平台专门针对低反向恢复电荷和开关稳健性进行了优化。该技术采用电子辐照来控制反向恢复阶段双极载流子的寿命。它会产生缺陷作为复合中心,并在正向偏置和反向恢复阶段加速 FRD 的电子/空穴对复合过程,从而显著减少 FRD 漂移区中存储的过量电荷总数。
  比较相同超结结构但具有不同载流子寿命控制的 Qrr 波形,ER 处理部件的 Qrr 值明显降低。抑制 Qrr 意味着较小的功率尖峰水平将通过 FRD,从而抑制热故障风险。

  值得注意的是,MOSFET 有源/终止过渡区容易受到反向恢复故障的影响,因为它的面积有限,需要通过高电流密度。αMOS5 平台的一个主要优点是它采用了保守的终端设计,将电场均匀地分布在过渡区。这种优化可防止反向恢复 tb 阶段因功率密度过大而导致局部热点烧坏。

  图 5. ER 控制的反向恢复波形。图片由Bodo's Power Systems 提供
  检测结果
  通过 AOS αMOS5 FRD MOSFET 测试验证了体二极管反向恢复的安全操作条件。测试结果在设备数据表中提供。图 6 显示了 AOS 的 AOK042A60FD 600 V 42 mΩ αMOS5 SJ MOSFET 和两个具有类似 B Vdss和 R dson规格的竞争对手的测试波形。测试是在三种不同温度下以 50 A 正向电流和 1000 A/us 压摆率进行的。如表 1 所示,AOK042A60FD 在 200°C 下通过了测试,而竞争对手即使在较低温度下也未能通过测试。

  值得注意的是,AOK042A60FD 在 T b周期波形中显示出的漏极电压斜率。这有助于器件经受住严酷的反向恢复瞬变并改善其 EMI 性能。测试结果表明,AOS αMOS5 FRD SJ 器件在反向恢复瞬变中提供了高效的体二极管稳健性,这在 LLC 转换器等桥式应用中至关重要,以确保在异常和瞬变条件下实现的系统可靠性。

  表 1.  AOK042A60FD 的体二极管反向恢复稳定性测试结果
  被测设备如果一个)di/dt(安培/美制)dv/dt (纳秒)
  50100025 摄氏度150°C200℃
  AOK042A60FD104 (通过)46 (通过)38 (通过)
  竞争对手 1160 (通过)92 (通过)74(失败)
  竞争对手 2134 (通过)122(失败)
关键词:二极管,MOSFET  

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