采用ST F7 LV MOSFET技术的单片肖特基二极管:提高应用性能

作者：Filippo Scrimizzi / Filadelfo Fusillo，意法半导体

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非常重要。当需要Qrr 数值很低的软反向恢复时，集成肖特基二极管的新60V ST “F7”功率MOSFET管确保能效和换向性能更加出色。   

I.前言

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管的唯一要求，实际上，本征体漏二极管的动态特性对MOSFET整体性能影响很大。体漏二极管的正向压降(VF,diode)影响开关管在续流期间(开关管处于关断状态，电流从源极经本征二极管流至漏极)的功率损耗 ; 反向恢复电荷 (Qrr) 不仅影响开关管在反向恢复过程的损耗，还影响开关性能。MOSFET 管的尖峰电压随着Qrr升高而升高。因此，VFD 和Qrr较低的二极管，例如，肖特基二极管，有助于提高开关管的总体性能，在电桥拓扑或用作同步整流管应用中，当开关频率很高且二极管长时间导通时，提升性能的效果特别明显。本文将在开关电源和电机控制环境中评估内置肖特基二极管的新60 V ST MOSFET管的性能，并对比标准器件，重点论述新产品的优势。   

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

一旦选择了功率MOSFET管，因为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，分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。因此，在反向和正向偏压过程中，需要考虑阻断电压和正向电流的最大值，同时，研究在功率开关管导通后的关断期间的二极管反向恢复过程也很重要(图 2)。当二极管正向偏压变成反向偏压时，电流不会立即降至零值，因为消除通态期间贮存的电荷需要时间。因此，当t = t0时，二极管开始换向操作，电流开始下降，下降斜率(-a)恒定，外部电感和电源电压是决定斜率的唯一因素。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，达到电源电压；在 t=t2时，反向电流达到最大值。间隔(t3-t0)被称为反向恢复时间(trr)，而负电流与零线之间的区域是反向恢复电荷(Qrr)。tB 期间的电流斜率主要与产品设计和硅特性有关。


图 2 – 二极管反向恢复过程

软度因子(S=t_B/t_A ) 是快软恢复分类标准，这个参数在很多应用领域都十分重要。软度因子越大，反向恢复软度越高。实际上，如果tB区非常短，电流快速变化与电路本征电感就会产生不想看到的电压过冲和振铃效应。尖峰电压可能会高于功率开关管的击穿电压，此外，EMI性能也会恶化。如图2所示，在二极管反向恢复期间，大电流和高反向电压会同时产生耗散功率， 致使系统能效降低。此外，在电桥拓扑中，下桥臂开关管的最大反向恢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。在体二极管充当续流器件的电桥拓扑、降压转换器或同步整流等开关应用中，反向恢复电荷 (Qrr) 减少有助于系统能效最大化，抑制尖峰电压，降低关断时的开关噪声。在MOSFET结构内集成一个肖特基二极管是一个效果不错的解决方案。集成肖特基二极管的方法是在金属薄膜层与半导体区之间制作一个电触点。电流主要是与多数载流子有关，因为贮存电荷少，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)比标准硅二极管低，这意味着肖特基的通态功率损耗小。                                             
当只有优化Qrr 和VF,diode才能提高系统总体能效时，集成肖特基二极管的新ST 60V MOSFET管是一个正确选择。图3列出了标准MOSFET管和集成肖特基的功率开关管的主要电参数(两款产品的BVDSS 和芯片尺寸相同)。

	BV @ 250µA	RDSon @ 30 A	Qrr	VF,diode
60V MOS 标准产品	60 V	1.2	100	600 mV
60V MOS 内置肖特基	60 V	1.3	90	250 mV

图 3 – MOSFET管的电参数

III. 单片肖特基二极管在电源管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管可以用作下桥臂开关(S2)，以提高转换器的总体性能。


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)和反向恢复损耗(PQrr)与二极管正向压降 (VF,diode)及其反向恢复电荷(Qrr)密切相关:



如公式(1)和(2)所示，导通损耗随着开关频率、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态，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，降低体二极管正向压降有助于导通损耗最小化，提高能效。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，我们看一下隔离功率转换器环境，当输出功率和死时数值都很大时，理想的二次侧同步整流器不仅具有尽可能小的 RDSon导通电阻，以降低导通损耗，同时还应优化体二极管特性(Qrr 和 VF,diode)，以降低二极管损耗(图(1)和(2))，以最大限度降低关断尖峰电压。本文在一个500W数字电源内对60V标准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件在整个电流范围内能效表现更好，从而提高了系统总体性能。

IV.在电桥拓扑中改进开关特性

在电桥拓扑内，反向恢复过程从下桥臂开关管（图7中的Q2）续流结束时开始，到上桥臂开关管（图7中的Q1）开始导通时终止。最终的恢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外电流，下桥臂反向恢复过程与Vds ≈ 0 V 到 Vdc 换向操作，可能会在下桥臂开关管栅源电压上产生杂散跳变电压，因为下桥臂  Ciss (输入电容)是通过Crss (Miller电容)完成充电过程。


图7 – 全桥转换器原理图

结果，在Q2栅极上感应的电压可能会触发开关，致使系统稳健性和能效恶化。电桥下桥臂开关管应该有软换向功能，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，即可取得所需的开关特性。事实上，其较小的反向恢复电荷(Qrr)直接影响电压过冲值，因为Qrr 值越高，过冲电压越高。如果 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降低，从而将击穿风险降到最低。此外，因为开关噪声降低，软恢复还能提高EMI总体性能。图8所示是标准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明显。


图 8 – 标准 FET上桥臂导通 (左)和内置肖特基的FET上桥臂导通波形(右)

V. 结论

为很多应用(工业电机和开关电源的同步整流、逆变器、电机驱动)选择适合的MOSFET管时，不仅要考虑 RDSon 和 Qg，还要分析本征体漏二极管的动静态特性。当需要软反向恢复和低 Qrr 时，集成肖特基二极管的60V ST “F7”功率MOSFET管确保功率开关的能效和换向性能更加出色。此外，在实际应用中，当续流时间或死时持续时间长时，肖特基的VF,diode 数值可让应用取得更高能效。

VI.参考文献

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