摘要–当一个功率MOSFET管被用在电桥拓扑或用作电源二次侧同步整流管时，体漏二极管的特性以及品质因数将变得十分重要。当需求Qrr 数值很低的软反向康复时，集成肖特基二极管的新60V ST “F7”功率MOSFET管保证能效和换向功用愈加超卓。
I.前语
在同步整流和电桥结构中，RDSon 和 Qg 两个参数并不是对功率MOSFET管的仅有要求，实践上，本征体漏二极管的动态特性对MOSFET全体功用影响很大。体漏二极管的正向压降(VF,diode)影响开关管在续流期间(开关管处于关断状况，电流从源极经本征二极管流至漏极)的功率损耗 ; 反向康复电荷 (Qrr) 不只影响开关管在反向康复进程的损耗，还影响开关功用。MOSFET 管的尖峰电压跟着Qrr升高而升高。因而，VFD 和Qrr较低的二极管，例如，肖特基二极管，有助于进步开关管的整体功用，在电桥拓扑或用作同步整流管使用中，当开关频率很高且二极管长期导通时，进步功用的作用特别显着。本文将在开关电源和电机操控环境中评价内置肖特基二极管的新60 V ST MOSFET管的功用，并比照规范器材，要点论说新产品的优势。
II.MOSFET本征体漏二极管和肖特基二极管特性
图1所示是一个N沟道功率MOSFET管的典型符号。本征体漏二极管由p-body和n–drift两个区组成，如下图所示，体漏二极管与MOSFET管的导电沟道并联。
图 1 – 功率 MOSFET管的符号
一旦挑选了功率MOSFET管，由于硅特性和产品设计的原因，其内部集成的体二极管的特性也就固定下来。本征体漏二极管与场效应管导电沟道并联，所以，剖析该本征体漏二极管的动静态特性，特别是在二极管导通条件下，具有重要意义。因而，在反向和正向偏压进程中，需求考虑阻断电压和正向电流的最大值，一起，研讨在功率开关管导通后的关断期间的二极管反向康复进程也很重要(图 2)。当二极管正向偏压变成反向偏压时，电流不会当即降至零值，由于消除通态期间储存的电荷需求时刻。因而，当t = t0时，二极管开端换向操作，电流开端下降，下降斜率(-a)稳定，外部电感和电源电压是决议斜率的仅有要素。在t1之前，二极管被施加正向偏压，从t1到t2，二极管压降上升，到达电源电压;在 t=t2时，反向电流到达最大值。距离(t3-t0)被称为反向康复时刻(trr)，而负电流与零线之间的区域是反向康复电荷(Qrr)。tB 期间的电流斜率首要与产品设计和硅特性有关。
图 2 – 二极管反向康复进程
软度因子(S=t_B/t_A ) 是快软康复分类规范，这个参数在许多使用领域都十分重要。软度因子越大，反向康复软度越高。实践上，假如tB区十分短，电流快速改变与电路本征电感就会发生不想看到的电压过冲和振铃效应。尖峰电压或许会高于功率开关管的击穿电压，此外，EMI功用也会恶化。如图2所示，在二极管反向康复期间，大电流和高反向电压会一起发生耗散功率， 致使体系能效下降。此外，在电桥拓扑中，下桥臂开关管的最大反向康复电流加到上桥臂开关电流中，致使耗散功率上升至最大额定值。在体二极管充任续流器材的电桥拓扑、降压转换器或同步整流等开关使用中，反向康复电荷 (Qrr) 削减有助于体系能效最大化，按捺尖峰电压，下降关断时的开关噪声。在MOSFET结构内集成一个肖特基二极管是一个作用不错的解决方案。集成肖特基二极管的办法是在金属薄膜层与半导体区之间制造一个电触点。电流首要是与大都载流子有关，由于储存电荷少，肖特基二极管正反偏压切换比其它硅二极管快。此外，肖特基正向压降(≈0.3 V)比规范硅二极管低，这意味着肖特基的通态功率损耗小。
当只要优化Qrr 和VF,diode才干进步体系整体能效时，集成肖特基二极管的新ST 60V MOSFET管是一个正确挑选。图3列出了规范MOSFET管和集成肖特基的功率开关管的首要电参数(两款产品的BVDSS 和芯片尺寸相同)。
BV @ 250µARDSon @ 30 AQrrVF,diode
60V MOS 规范产品60 V1.2100600 mV
60V MOS 内置肖特基60 V1.390250 mV
图 3 – MOSFET管的电参数
III. 单片肖特基二极管在电源办理环境中的产品优势
在一个同步降压转换器(图4)内，集成肖特基二极管的功率MOSFET管能够用作下桥臂开关(S2)，以进步转换器的整体功用。
图 4 – 单相同步整流降压转换器拓扑
事实上，下桥臂体二极管导通损耗(Pdiode,cond)和反向康复损耗(PQrr)与二极管正向压降 (VF,diode)及其反向康复电荷(Qrr)密切相关:
如公式(1)和(2)所示，导通损耗跟着开关频率、转换器输入电压和输出电流升高而变大。当两个场效应晶体管都是关断状况，电流经过下桥臂体二极管时被称为死时。死时效应严重影响二极管导通损耗：当死时较长时，下降体二极管正向压降有助于导通损耗最小化，进步能效。图5所示是60W、48V – 12V、250 kHz同步整流降压转换器的能效。
图5 – 同步整流降压转换器的能效
现在，咱们看一下阻隔功率转换器环境，当输出功率和死时数值都很大时，抱负的二次侧同步整流器不只具有尽或许小的 RDSon导通电阻，以下降导通损耗，一起还应优化体二极管特性(Qrr 和 VF,diode)，以下降二极管损耗(图(1)和(2))，以最大极限下降关断尖峰电压。本文在一个500W数字电源内对60V规范功率开关管和内置肖特基的功率开关管进行了比较。数字电源由两个功率级组成：功率因数校正器和内置同步整流管的LLC谐振电路。最大输出电流是42 A，满负载开关频率是80 kHz，死时1µs。图6是能效曲线比较。
图6 – 同步整流降压转换器的能效
在两个拓扑内，60 V内置肖特基二极管的器材在整个电流规模内能效体现更好，然后进步了体系整体功用。
IV.在电桥拓扑中改善开关特性
在电桥拓扑内，反向康复进程从下桥臂开关管(图7中的Q2)续流结束时开端，到上桥臂开关管(图7中的Q1)开端导通时停止。终究的康复电流加到上桥臂电流内 (如第2页所述)。连同上桥臂开关管上的额定电流，下桥臂反向康复进程与Vds ≈ 0 V 到 Vdc 换向操作，或许会在下桥臂开关管栅源电压上发生杂散跳变电压，由于下桥臂 Ciss (输入电容)是经过Crss (Miller%&&&&&%)完结充电进程。
图7 – 全桥转换器原理图
成果，在Q2栅极上感应的电压或许会触发开关，致使体系稳健性和能效恶化。电桥下桥臂开关管应该有软换向功用，在漏源极之间无危险的尖峰电压和高频振铃效应。下桥臂开关管改用内置肖特基的功率MOSFET管，即可获得所需的开关特性。事实上，其较小的反向康复电荷(Qrr)直接影响电压过冲值，由于Qrr 值越高，过冲电压越高。假如 Vds 过冲和振铃效应参数值较低，下桥臂开关管栅极杂散跳变电压将会下降，然后将击穿危险降到最低。此外，由于开关噪声下降，软康复还能进步EMI整体功用。图8所示是规范MOSFET和内置肖特基的MOSFET上桥臂导通波形;不难发现，集成肖特基二极管的MOSFET下桥臂杂散跳变电压下降显着。
图 8 – 规范 FET上桥臂导通 (左)和内置肖特基的FET上桥臂导通波形(右)
V. 定论
为许多使用(工业电机和开关电源的同步整流、逆变器、电机驱动)挑选合适的MOSFET管时，不只要考虑 RDSon 和 Qg，还要剖析本征体漏二极管的动静态特性。当需求软反向康复和低 Qrr 时，集成肖特基二极管的60V ST “F7”功率MOSFET管保证功率开关的能效和换向功用愈加超卓。此外，在实践使用中，当续流时刻或死时继续时刻长时，肖特基的VF,diode 数值可让使用获得更高能效。
VI.参考文献
[1]:“Fundamental of Power Semiconductor Devices”, B.J.Baliga – 2008, Springer Science
