使用快速恢复二极管MOSFET在电源中的应用

“超级结”技术由于其优越的品质因数，已经在击穿电压超过600V的功率MOSFET市场中占据主导地位。在设计基于超级结的功率器件时，工程师必须考虑一些因素，以提高电源应用中的效率、功率密度和可靠性。

 

工程考虑因素

如图1所示，首先需要考虑的是P列从基区延伸，形成漂移区的“电荷平衡”，以实现更高的掺杂浓度，即相应区域的更低电阻。延伸的结区域带来了过多反向恢复电荷的缺点。

图1：超级结MOSFET中的PN结

 

图2显示了一个典型的半桥配置，在低侧MOSFET开启前的死区时间内，电流通过高侧MOSFET的体二极管自由回路。低侧MOSFET开始开启时发生体二极管的反向恢复。

 

由于高侧MOSFET的反向恢复电荷，低侧MOSFET会看到一个负电流尖峰。这会导致低侧MOSFET过大的开启损耗。同时，高侧MOSFET在Tb期间会看到一个高的上升速率电压和电压尖峰，这会对器件造成过载。

图2：半桥电路中的体二极管反向恢复

 

最终，如图3的示例所示，当正向电流和电流上升速率超出器件的安全工作范围时，600V超级结器件的故障是由体二极管恢复引起的。

图3：说明由体二极管反向恢复引起的设备故障

 

需要注意的问题是，基于超级结的功率器件中的体二极管反向恢复已经深刻影响了高压功率器件在电源设计中的选择。图4显示了AC/DC电源中的典型电路。

 

在功率因数校正阶段，作为高侧器件使用SiC肖特基二极管而不是同步整流FET，因为同步整流器的反向恢复引起的开关损耗在目标开关频率下(通常高于50kHz)太高。

 

在DC-DC阶段，使用软开关LLC电路，在正常运行模式下不会发生高压器件的硬换相。器件的硬换相会导致体二极管反向恢复，因此在这种情况下不会发生。

 

然而，在异常运行条件下如启动和短路瞬态期间，LLC电路中可能会发生硬换相。LLC电路的控制器设计中通常需要对这些瞬态进行保护。未能防止LLC电路中的硬换相可能会由于非常迅猛的体二极管反向恢复瞬态导致高压器件故障。

图4：典型的 AC/DC 电源电路结构

 

在某些情况下，高压器件的体二极管反向恢复是无法避免的。例如，在具有数字控制器的高功率LLC转换器中，没有逐周期硬换相保护。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，改善体二极管的反向恢复电荷和可靠性是高压功率器件的关键要求。

αMOS5快速恢复二极管技术

 

由Alpha和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鲁棒性进行了优化。

 

在这项技术中应用了电子辐照来控制反向恢复阶段双极载流子的寿命。它通过创建缺陷作为复合中心，加速FRD在正向偏置和反向恢复阶段的电子/空穴对复合过程，从而显著减少FRD漂移区存储的过多电荷总量。

 

比较具有相同超级结结构但不同载流子寿命控制的Qrr波形，ER处理的部分显示出显著减少的Qrr值。抑制的Qrr意味着FRD中会有更小的功率尖峰，从而抑制热故障的风险。

 

值得注意的是，MOSFET的有源/终止过渡区是反向恢复故障最脆弱的部分，因为它在有限的面积内通过高电流密度。αMOS5平台的一个关键优势是它采用了保守的终止设计，使电场在过渡区均匀分布。这一优化防止了在反向恢复tb阶段由于过度功率密度引起的局部热点烧毁。

图5：ER控制的反向恢复波形

 

测试结果

AOS αMOS5 FRD MOSFET测试验证了体二极管反向恢复的安全操作条件。测试结果在器件数据手册中提供。

 

图6显示了AOS的AOK042A60FD 600V 42mΩ αMOS5 SJ MOSFET和两款具有相似BVdss和Rdson规格的竞争对手的测试波形。测试在50A正向电流和1000A/us上升速率下在三种不同温度下进行。

 

如表1所示，AOK042A60FD在200°C下通过了测试，而竞争对手在较低温度下未能通过测试。

表1：反向恢复稳定性测试结果

 

值得注意的是，AOK042A60FD在Tb期间波形中显示出最低的漏极电压上升速率。这有助于器件在严酷的反向恢复瞬态中生存并改善其EMI性能。

 

测试结果显示，AOS αMOS5 FRD SJ器件在反向恢复瞬态中提供了高度有效的体二极管鲁棒性，这在LLC转换器等桥式应用中确保了系统在异常和瞬态条件下的最高可靠性。