采用ST F7 LV MOSFET技術(shù)的單片肖特基二極管:提高應(yīng)用性能

　　摘要–當(dāng)一個功率MOSFET管被用在電橋拓撲或用作電源二次側(cè)同步整流管時，體漏二極管的特性以及品質(zhì)因數(shù)將變得非常重要。當(dāng)需要Qrr 數(shù)值很低的軟反向恢復(fù)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(jié)構(gòu)中，RDSon 和 Qg 兩個參數(shù)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(tài)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(guān)管在續(xù)流期間(開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，電流從源極經(jīng)本征二極管流至漏極)的功率損耗 ; 反向恢復(fù)電荷 (Qrr) 不僅影響開關(guān)管在反向恢復(fù)過程的損耗，還影響開關(guān)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(guān)管的總體性能，在電橋拓撲或用作同步整流管應(yīng)用中，當(dāng)開關(guān)頻率很高且二極管長時間導(dǎo)通時，提升性能的效果特別明顯。本文將在開關(guān)電源和電機控制環(huán)境中評估內(nèi)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(chǎn)品的優(yōu)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(qū)組成，如下圖所示，體漏二極管與MOSFET管的導(dǎo)電溝道并聯(lián)。

　　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(chǎn)品設(shè)計的原因，其內(nèi)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(yīng)管導(dǎo)電溝道并聯(lián)，所以，分析該本征體漏二極管的動靜態(tài)特性，特別是在二極管導(dǎo)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(guān)管導(dǎo)通后的關(guān)斷期間的二極管反向恢復(fù)過程也很重要(圖 2)。當(dāng)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(tài)期間貯存的電荷需要時間。因此，當(dāng)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(fù)時間(trr)，而負電流與零線之間的區(qū)域是反向恢復(fù)電荷(Qrr)。tB 期間的電流斜率主要與產(chǎn)品設(shè)計和硅特性有關(guān)。

　　圖 2 – 二極管反向恢復(fù)過程

　　軟度因子(S=t_B/t_A ) 是快軟恢復(fù)分類標準，這個參數(shù)在很多應(yīng)用領(lǐng)域都十分重要。軟度因子越大，反向恢復(fù)軟度越高。實際上，如果tB區(qū)非常短，電流快速變化與電路本征電感就會產(chǎn)生不想看到的電壓過沖和振鈴效應(yīng)。尖峰電壓可能會高于功率開關(guān)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(fù)期間，大電流和高反向電壓會同時產(chǎn)生耗散功率， 致使系統(tǒng)能效降低。此外，在電橋拓撲中，下橋臂開關(guān)管的最大反向恢復(fù)電流加到上橋臂開關(guān)電流中，致使耗散功率上升至最大額定值。在體二極管充當(dāng)續(xù)流器件的電橋拓撲、降壓轉(zhuǎn)換器或同步整流等開關(guān)應(yīng)用中，反向恢復(fù)電荷 (Qrr) 減少有助于系統(tǒng)能效最大化，抑制尖峰電壓，降低關(guān)斷時的開關(guān)噪聲。在MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)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(dǎo)體區(qū)之間制作一個電觸點。電流主要是與多數(shù)載流子有關(guān)，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(tài)功率損耗小。

　　當(dāng)只有優(yōu)化Qrr 和VF,diode才能提高系統(tǒng)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(guān)管的主要電參數(shù)(兩款產(chǎn)品的BVDSS 和芯片尺寸相同)。

　　BV @ 250μARDSon @ 30 AQrrVF,diode

　　60V MOS 標準產(chǎn)品60 V1.2100600 mV

　　60V MOS 內(nèi)置肖特基60 V1.390250 mV

　　圖 3 – MOSFET管的電參數(shù)

　　III. 單片肖特基二極管在電源管理環(huán)境中的產(chǎn)品優(yōu)勢

　　在一個同步降壓轉(zhuǎn)換器(圖4)內(nèi)，集成肖特基二極管的功率MOSFET管可以用作下橋臂開關(guān)(S2)，以提高轉(zhuǎn)換器的總體性能。

　　圖 4 – 單相同步整流降壓轉(zhuǎn)換器拓撲

　　事實上，下橋臂體二極管導(dǎo)通損耗(Pdiode,cond)和反向恢復(fù)損耗(PQrr)與二極管正向壓降 (VF,diode)及其反向恢復(fù)電荷(Qrr)密切相關(guān):

　　如公式(1)和(2)所示，導(dǎo)通損耗隨著開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換器輸入電壓和輸出電流升高而變大。當(dāng)兩個場效應(yīng)晶體管都是關(guān)斷狀態(tài)，電流經(jīng)過下橋臂體二極管時被稱為死時。死時效應(yīng)嚴重影響二極管導(dǎo)通損耗：當(dāng)死時較長時，降低體二極管正向壓降有助于導(dǎo)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(zhuǎn)換器的能效。

　　圖5 – 同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的能效

　　現(xiàn)在，我們看一下隔離功率轉(zhuǎn)換器環(huán)境，當(dāng)輸出功率和死時數(shù)值都很大時，理想的二次側(cè)同步整流器不僅具有盡可能小的 RDSon導(dǎo)通電阻，以降低導(dǎo)通損耗，同時還應(yīng)優(yōu)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(guān)斷尖峰電壓。本文在一個500W數(shù)字電源內(nèi)對60V標準功率開關(guān)管和內(nèi)置肖特基的功率開關(guān)管進行了比較。數(shù)字電源由兩個功率級組成：功率因數(shù)校正器和內(nèi)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(guān)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(zhuǎn)換器的能效

　　在兩個拓撲內(nèi)，60 V內(nèi)置肖特基二極管的器件在整個電流范圍內(nèi)能效表現(xiàn)更好，從而提高了系統(tǒng)總體性能。

　　IV.在電橋拓撲中改進開關(guān)特性

　　在電橋拓撲內(nèi)，反向恢復(fù)過程從下橋臂開關(guān)管(圖7中的Q2)續(xù)流結(jié)束時開始，到上橋臂開關(guān)管(圖7中的Q1)開始導(dǎo)通時終止。最終的恢復(fù)電流加到上橋臂電流內(nèi) (如第2頁所述)。連同上橋臂開關(guān)管上的額外電流，下橋臂反向恢復(fù)過程與Vds ≈ 0 V 到 Vdc 換向操作，可能會在下橋臂開關(guān)管柵源電壓上產(chǎn)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(zhuǎn)換器原理圖

　　結(jié)果，在Q2柵極上感應(yīng)的電壓可能會觸發(fā)開關(guān)，致使系統(tǒng)穩(wěn)健性和能效惡化。電橋下橋臂開關(guān)管應(yīng)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(yīng)。下橋臂開關(guān)管改用內(nèi)置肖特基的功率MOSFET管，即可取得所需的開關(guān)特性。事實上，其較小的反向恢復(fù)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(yīng)參數(shù)值較低，下橋臂開關(guān)管柵極雜散跳變電壓將會降低，從而將擊穿風(fēng)險降到最低。此外，因為開關(guān)噪聲降低，軟恢復(fù)還能提高EMI總體性能。圖8所示是標準MOSFET和內(nèi)置肖特基的MOSFET上橋臂導(dǎo)通波形;不難發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)通 (左)和內(nèi)置肖特基的FET上橋臂導(dǎo)通波形(右)

　　V. 結(jié)論

　　為很多應(yīng)用(工業(yè)電機和開關(guān)電源的同步整流、逆變器、電機驅(qū)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(tài)特性。當(dāng)需要軟反向恢復(fù)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(guān)的能效和換向性能更加出色。此外，在實際應(yīng)用中，當(dāng)續(xù)流時間或死時持續(xù)時間長時，肖特基的VF,diode 數(shù)值可讓應(yīng)用取得更高能效。

　　VI.參考文獻

　　[1]:“Fundamental of Power Semiconductor Devices”, B.J.Baliga - 2008, Springer Science