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作者：Filippo Scrimizzi / Filadelfo Fusillo，意法半導體 摘要 –當一個功率MOSFET管被用在電橋拓撲或用作電源二次側同步整流管時，體漏二極管的特性以及品質因數將變得非常重要。當需要Qrr 數值很低的軟反向恢復時，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構中，RDSon 和 Qg 兩個參數并不是對功率MOSFET管的唯一要求，實際上，本征體漏二極管的動態特性對MOSFET整體性能影響很大。體漏二極管的正向壓降(VF,diode)影響開關管在續流期間(開關管處于關斷狀態，電流從源極經本征二極管流至漏極)的功率損耗 ; 反向恢復電荷 (Qrr) 不僅影響開關管在反向恢復過程的損耗，還影響開關性能。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，有助于提高開關管的總體性能，在電橋拓撲或用作同步整流管應用中，當開關頻率很高且二極管長時間導通時，提升性能的效果特別明顯。本文將在開關電源和電機控制環境中評估內置肖特基二極管的新60 V ST MOSFET管的性能，并對比標準器件，重點論述新產品的優勢。 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兩個區組成，如下圖所示，體漏二極管與MOSFET管的導電溝道并聯。 
圖 1 – 功率 MOSFET管的符號 一旦選擇了功率MOSFET管，因為硅特性和產品設計的原因，其內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管導電溝道并聯，所以，分析該本征體漏二極管的動靜態特性，特別是在二極管導通條件下，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，研究在功率開關管導通后的關斷期間的二極管反向恢復過程也很重要(圖 2)。當二極管正向偏壓變成反向偏壓時，電流不會立即降至零值，因為消除通態期間貯存的電荷需要時間。因此，當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硅特性有關。
圖 2 – 二極管反向恢復過程 軟度因子(S=t_B/t_A ) 是快軟恢復分類標準，這個參數在很多應用領域都十分重要。軟度因子越大，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征電感就會產生不想看到的電壓過沖和振鈴效應。尖峰電壓可能會高于功率開關管的擊穿電壓，此外，EMI性能也會惡化。如圖2所示，在二極管反向恢復期間，大電流和高反向電壓會同時產生耗散功率， 致使系統能效降低。此外，在電橋拓撲中，下橋臂開關管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。在體二極管充當續流器件的電橋拓撲、降壓轉換器或同步整流等開關應用中，反向恢復電荷 (Qrr) 減少有助于系統能效最大化，抑制尖峰電壓，降低關斷時的開關噪聲。在MOSFET結構內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體區之間制作一個電觸點。電流主要是與多數載流子有關，因為貯存電荷少，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)比標準硅二極管低，這意味著肖特基的通態功率損耗小。 當只有優化Qrr 和VF,diode才能提高系統總體能效時，集成肖特基二極管的新ST 60V MOSFET管是一個正確選擇。圖3列出了標準MOSFET管和集成肖特基的功率開關管的主要電參數(兩款產品的BVDSS 和芯片尺寸相同)。
III. 單片肖特基二極管在電源管理環境中的產品優勢 在一個同步降壓轉換器(圖4)內，集成肖特基二極管的功率MOSFET管可以用作下橋臂開關(S2)，以提高轉換器的總體性能。
圖 4 – 單相同步整流降壓轉換器拓撲 事實上，下橋臂體二極管導通損耗(Pdiode,cond)和反向恢復損耗(PQrr)與二極管正向壓降 (VF,diode)及其反向恢復電荷(Qrr)密切相關:
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。當兩個場效應晶體管都是關斷狀態，電流經過下橋臂體二極管時被稱為死時。死時效應嚴重影響二極管導通損耗：當死時較長時，降低體二極管正向壓降有助于導通損耗最小化，提高能效。圖5所示是60W、48V - 12V、250 kHz同步整流降壓轉換器的能效。
圖5 – 同步整流降壓轉換器的能效 現在，我們看一下隔離功率轉換器環境，當輸出功率和死時數值都很大時，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，同時還應優化體二極管特性(Qrr 和 VF,diode)，以降低二極管損耗(圖(1)和(2))，以最大限度降低關斷尖峰電壓。本文在一個500W數字電源內對60V標準功率開關管和內置肖特基的功率開關管進行了比較。數字電源由兩個功率級組成：功率因數校正器和內置同步整流管的LLC諧振電路。最大輸出電流是42 A，滿負載開關頻率是80 kHz，死時1µs。圖6是能效曲線比較。
圖6 – 同步整流降壓轉換器的能效 在兩個拓撲內，60 V內置肖特基二極管的器件在整個電流范圍內能效表現更好，從而提高了系統總體性能。 IV.在電橋拓撲中改進開關特性 在電橋拓撲內，反向恢復過程從下橋臂開關管（圖7中的Q2）續流結束時開始，到上橋臂開關管（圖7中的Q1）開始導通時終止。最終的恢復電流加到上橋臂電流內 (如第2頁所述)。連同上橋臂開關管上的額外電流，下橋臂反向恢復過程與Vds ≈ 0 V 到 Vdc 換向操作，可能會在下橋臂開關管柵源電壓上產生雜散跳變電壓，因為下橋臂 Ciss (輸入電容)是通過Crss (Miller電容)完成充電過程。
圖7 – 全橋轉換器原理圖 結果，在Q2柵極上感應的電壓可能會觸發開關，致使系統穩健性和能效惡化。電橋下橋臂開關管應該有軟換向功能，在漏源極之間無危險的尖峰電壓和高頻振鈴效應。下橋臂開關管改用內置肖特基的功率MOSFET管，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)直接影響電壓過沖值，因為Qrr 值越高，過沖電壓越高。如果 Vds 過沖和振鈴效應參數值較低，下橋臂開關管柵極雜散跳變電壓將會降低，從而將擊穿風險降到最低。此外，因為開關噪聲降低，軟恢復還能提高EMI總體性能。圖8所示是標準MOSFET和內置肖特基的MOSFET上橋臂導通波形；不難發現，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 – 標準 FET上橋臂導通 (左)和內置肖特基的FET上橋臂導通波形(右) V. 結論 為很多應用(工業電機和開關電源的同步整流、逆變器、電機驅動)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特性。當需要軟反向恢復和低 Qrr 時，集成肖特基二極管的60V ST “F7”功率MOSFET管確保功率開關的能效和換向性能更加出色。此外，在實際應用中，當續流時間或死時持續時間長時，肖特基的VF,diode 數值可讓應用取得更高能效。 VI.參考文獻 [1]:“Fundamental of Power Semiconductor Devices”, B.J.Baliga - 2008, Springer Science |
