MOSFET的结构及反向恢复波形分析

基于桥式结构的功率MOSFET，例如半桥、全桥和LLC的电源系统，同步Buck变换器的续流开关管、以及次级同步整流开关管， 其体内寄生的二极管都会经历反向电流恢复的过程。

功率MOSFET的体二极管的反向恢复性能和快恢复二极管及肖特基二极管相比，其反向恢复速度要低很多， 反向恢复电荷也要大很多，因此反向恢复的特性较差。

这样，导致二极管的开关损耗增加，降低系统的效率，同时，也会产生较高的振铃，影响功率MOSFET的安全工作，甚至可能导致桥臂直通，功率MOSFET损坏。

MOSFET的结构及反向恢复波形分析

N沟道增强型功率MOSFET的结构如图1所示，在栅极加上一定正电压后，沟槽壁侧的P基区反型，形成垂直沟道。由图1中的结构可以看到， P基区和N-epi形成了一个PN结，即MOSFET的寄生体二极管。

图1 MOSFET内部结构

在开关变换器中，由于寄生体二极管的存在，就无需分立的二极管来提供续流的通路， 因此，体二极管也拥有普通二极管一样的特性，比如最重要的反向恢复特性。当通入的电压突然反向时，二极管上的电流也瞬间反向了，随后才变小，进而进入反向截止状态。这个现象就叫二极管的反向恢复，图2可以很好地说明整个反向恢复的过程。

图2 反向恢复波形

a. 在阶段 (1), 体二极管处于截止状态；

b. 在阶段 (2), 体二极管开始导通，二极管正向导通。

c. 在阶段 (3), 二极管正向导通，正向电流 I=IF。

d. 阶段 (4), 当体二极管突然施加反向电压时，二极管电流减小至0，然后反向增加，且由于二极管反向电压的上升，导致了反向恢复电流的di/dt 逐渐减小；当di/dt 降到0，扫出电流达到最大值，即IRR；

e. 阶段 (5), 反向恢复过程结束，由于负di/dt 的存在， 二极管上的反向电压将会出现超调， 当电流降为0 时，反向电压将会达到最大值，之后，回路进入了RLC自由振荡阶段。阶段 (6)二极管关断过程结束。

功率MOSFET的换流方式

功率MOSFET有两种换流方式---硬换流与软换流。MOSFET的硬整流与MOSFET的体二极管反向恢复有关，比如体二极管关断时的正向导通电流，或者累计反向恢复的电荷量。另一种软换流则是指功率MOSFET换流时可以避免二极管的反向恢复影响，这在ZCS软开关变换器中很常见，因为反向恢复条件只发生在关断过程中，正向电流和二极管电压均为正，所以从理论上讲，体二极管的反向恢复在零电流开关变换器中不发生。本文旨在分析二极管的反向恢复对MOSFET换流的影响，所以软换流不会在本文件中进一步讨论。

下面就硬换流过程结合半桥电路进行分析，在实际的半桥变换器的应用中，同步整流下管由MOSFET来代替二极管可以有效减小导通损耗。同步整流管与上管互补导通，图3为Infineon关于硬换流的半桥测试电路原理图，在这个测试电路中，同步整流管接地，这可以强制整流电流完全通过体二极管进行续流，以此来检测二极管的反向恢复现象。

图3 MOSFET反向恢复测试电路示意图

图3右侧图是体二极管关断时的电压电流波形，初始状态为正向导通，当上管开通时，下管的体二极管开始关断。二极管电流以固定斜率 (di/dt)下降到零，然后反向增加。负电流也就是反向恢复电流(Irr)，最终到达峰值反向恢复电流的峰值 (Irrm)，然后再回到0。反向恢复过程结束，体二极管回到阻断状态。

反向恢复电荷(Qrr)

一般数据手册中都会通过图3所示的电路得到反向恢复电荷Qrr和反向恢复时间Trr，用以表征该MOSFET的反向恢复能力。其中Trr测量得到，Qrr则通过计算图中的阴影面积得到，近似由下面公式得到。

在半桥电路中，当体二极管处于反向恢复过程中，反向恢复电流与上管的MOSFET电流同向，导致MOSFET上有一个过冲，这将导致MOSFET发生雪崩，甚至可能超过其雪崩时间，其次为了抑制过冲，需要加一定的缓冲电路来满足功率器件的降额使用。图3中的VDS(peak) 即为所阐述的过冲电压。

如前所述，反向恢复Qrr能够引起过冲，越大的Qrr，过冲越大，甚至存在器件损坏的风险。换句话说，也就是Qrr较低的器件不易受到剧烈的硬换流影响。因此，Qrr是功率器件硬换流强度的很好的指标。

由于Qrr在很多情况下是不可避免的，所以理解影响反向恢复和Qrr的因素是很有必要的，下面即为Qrr与其影响因素之间关系的阐述。

反向恢复电荷随时间积累，在一个固定的二极管导通电流与di/dt，Qrr在二极管导通期间积累，导通时间越长，电荷量积累越多直到饱和为止。图4为Qrr随时间积累的过程图。

图4为Qrr随时间积累的过程图

在固定的di/dt情况下，二极管导通电流越大，储存的Qrr越高。图5给出了Qrr与二极管导通电流的关系。

图5 Qrr与二极管导通电流的关系

饱和的Qrr也会随着电流的变化快慢而变化，电流的变化斜率 (di/dt)越高，Qrr越高。换句话说，如果整流环路设计的比较好且电感量很低，可以使得开关频率很高，MOSFET势必会累积下很高的Qrr。图6给出了Qrr与电流变化斜率 (di/dt)的关系。

图6 Qrr与电流变化斜率 (di/dt)的关系

结语

对于MOSFET体二极管的反向恢复带来的影响，改善措施有以下两个方面，

1.最直接且最有效减小Qrr的措施是更换Qrr更小的MOSFET；
2.根据影响Qrr的因素，做出相应的改善措施，如降低二极管导通时间，减小二极管导通电流以及减小换流的电流斜率，但相对来说这些措施是比较难实现或者难以控制的。

*二极管导通一般发生在死去区间，所以有效减少死去时间就可以减少二极管反向恢复的影响，但缺点是如何控制最小死区时间比较难把握。

*二极管导通电流的大小则是由电路拓扑，而电路拓扑的选择需要考虑很多因素，一旦确定，很难因为二极管的反向恢复进行更改。

*电流斜率(di/dt)则与换流环路的寄生电感有关。一方面为了减小Qrr的影响，需要增大电感量，而另一方面则为了实现更高的工作频率，需要减小PCB layout的寄生电感参数，这又是互相矛盾的。

所以我们针对MOSFET反向恢复的处理，在其他条件允许范围内，尽量选取Qrr值低的MOSFET，更近一步措施，考虑减小相关因素的影响。