“超級結(jié)”技術(shù)由于其優(yōu)越的品質(zhì)因數(shù)，已經(jīng)在擊穿電壓超過600V的功率MOSFET市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。在設(shè)計基于超級結(jié)的功率器件時，工程師必須考慮一些因素，以提高電源應(yīng)用中的效率、功率密度和可靠性。
工程考慮因素
如圖1所示，首先需要考慮的是P列從基區(qū)延伸，形成漂移區(qū)的“電荷平衡”，以實現(xiàn)更高的摻雜濃度，即相應(yīng)區(qū)域的更低電阻。延伸的結(jié)區(qū)域帶來了過多反向恢復(fù)電荷的缺點。
圖1：超級結(jié)MOSFET中的PN結(jié)
圖2顯示了一個典型的半橋配置，在低側(cè)MOSFET開啟前的死區(qū)時間內(nèi)，電流通過高側(cè)MOSFET的體二極管自由回路。低側(cè)MOSFET開始開啟時發(fā)生體二極管的反向恢復(fù)。
由于高側(cè)MOSFET的反向恢復(fù)電荷，低側(cè)MOSFET會看到一個負(fù)電流尖峰。這會導(dǎo)致低側(cè)MOSFET過大的開啟損耗。同時，高側(cè)MOSFET在Tb期間會看到一個高的上升速率電壓和電壓尖峰，這會對器件造成過載。
圖2：半橋電路中的體二極管反向恢復(fù)
最終，如圖3的示例所示，當(dāng)正向電流和電流上升速率超出器件的安全工作范圍時，600V超級結(jié)器件的故障是由體二極管恢復(fù)引起的。
圖3：說明由體二極管反向恢復(fù)引起的設(shè)備故障
需要注意的問題是，基于超級結(jié)的功率器件中的體二極管反向恢復(fù)已經(jīng)深刻影響了高壓功率器件在電源設(shè)計中的選擇。圖4顯示了AC/DC電源中的典型電路。
在功率因數(shù)校正階段，作為高側(cè)器件使用SiC肖特基二極管而不是同步整流FET，因為同步整流器的反向恢復(fù)引起的開關(guān)損耗在目標(biāo)開關(guān)頻率下(通常高于50kHz)太高。
在DC-DC階段，使用軟開關(guān)LLC電路，在正常運行模式下不會發(fā)生高壓器件的硬換相。器件的硬換相會導(dǎo)致體二極管反向恢復(fù)，因此在這種情況下不會發(fā)生。
然而，在異常運行條件下如啟動和短路瞬態(tài)期間，LLC電路中可能會發(fā)生硬換相。LLC電路的控制器設(shè)計中通常需要對這些瞬態(tài)進行保護。未能防止LLC電路中的硬換相可能會由于非常迅猛的體二極管反向恢復(fù)瞬態(tài)導(dǎo)致高壓器件故障。
圖4：典型的 AC/DC 電源電路結(jié)構(gòu)
在某些情況下，高壓器件的體二極管反向恢復(fù)是無法避免的。例如，在具有數(shù)字控制器的高功率LLC轉(zhuǎn)換器中，沒有逐周期硬換相保護。在高壓電機驅(qū)動應(yīng)用中，高側(cè)和低側(cè)開關(guān)都需要有源器件(MOSFET/IGBT)。在這些應(yīng)用中，改善體二極管的反向恢復(fù)電荷和可靠性是高壓功率器件的關(guān)鍵要求。
αMOS5快速恢復(fù)二極管技術(shù)
由Alpha和Omega Semiconductor(AOS)開發(fā)的αMOS5快速恢復(fù)二極管(FRD)MOSFET平臺專門針對低反向恢復(fù)電荷和開關(guān)魯棒性進行了優(yōu)化。
在這項技術(shù)中應(yīng)用了電子輻照來控制反向恢復(fù)階段雙極載流子的壽命。它通過創(chuàng)建缺陷作為復(fù)合中心，加速FRD在正向偏置和反向恢復(fù)階段的電子/空穴對復(fù)合過程，從而顯著減少FRD漂移區(qū)存儲的過多電荷總量。
比較具有相同超級結(jié)結(jié)構(gòu)但不同載流子壽命控制的Qrr波形，ER處理的部分顯示出顯著減少的Qrr值。抑制的Qrr意味著FRD中會有更小的功率尖峰，從而抑制熱故障的風(fēng)險。
值得注意的是，MOSFET的有源/終止過渡區(qū)是反向恢復(fù)故障最脆弱的部分，因為它在有限的面積內(nèi)通過高電流密度。αMOS5平臺的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它采用了保守的終止設(shè)計，使電場在過渡區(qū)均勻分布。這一優(yōu)化防止了在反向恢復(fù)tb階段由于過度功率密度引起的局部熱點燒毀。
圖5：ER控制的反向恢復(fù)波形
測試結(jié)果
AOS αMOS5 FRD MOSFET測試驗證了體二極管反向恢復(fù)的安全操作條件。測試結(jié)果在器件數(shù)據(jù)手冊中提供。
圖6顯示了AOS的AOK042A60FD 600V 42m? αMOS5 SJ MOSFET和兩款具有相似BVdss和Rdson規(guī)格的競爭對手的測試波形。測試在50A正向電流和1000A/us上升速率下在三種不同溫度下進行。
如表1所示，AOK042A60FD在200°C下通過了測試，而競爭對手在較低溫度下未能通過測試。
表1：反向恢復(fù)穩(wěn)定性測試結(jié)果
值得注意的是，AOK042A60FD在Tb期間波形中顯示出最低的漏極電壓上升速率。這有助于器件在嚴(yán)酷的反向恢復(fù)瞬態(tài)中生存并改善其EMI性能。
測試結(jié)果顯示，AOS αMOS5 FRD SJ器件在反向恢復(fù)瞬態(tài)中提供了高度有效的體二極管魯棒性，這在LLC轉(zhuǎn)換器等橋式應(yīng)用中確保了系統(tǒng)在異常和瞬態(tài)條件下的最高可靠性。
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