一種適于軟硬開關(guān)應(yīng)用的具有堅(jiān)固體二極管的新型650V超結(jié)器件

隨著功率密度不斷提高，半橋(例如HID半橋或LLC)和全橋(例如ZVS全橋)等軟開關(guān)拓?fù)涑蔀槔硐氲慕鉀Q方案。由于改善了功率器件上di/dt和dv/dt的動(dòng)態(tài)性能，采用這些拓?fù)淇山档拖到y(tǒng)的開關(guān)損耗，提高可靠性。這種情況主要出現(xiàn)在輕載條件下。事實(shí)證明，CoolMOS這樣的超結(jié)器件可以克服這個(gè)問題，由于其內(nèi)部優(yōu)化了反向恢復(fù)過程電荷載流子去除功能，并且消除內(nèi)部寄生NPN雙極晶體管的栓鎖問題。通過增強(qiáng)注入載流子的結(jié)合率可大幅降低反向恢復(fù)電荷，而且增強(qiáng)結(jié)合率可降低關(guān)斷過程中的反向恢復(fù)峰值電流，并使反向恢復(fù)電荷大幅降低至約為原來的十分之一。對(duì)于優(yōu)化體二極管(圖1)性能在硬開關(guān)條件下應(yīng)用而言，反向恢復(fù)波形的形狀和印刷電路板的設(shè)計(jì)尤其重要。新一代CoolMOS 650V CFD2改進(jìn)了體二極管反向恢復(fù)性能，而且給擊穿電壓留有更大的安全裕量。

圖1 CoolMOS高壓功率MOSFET及其內(nèi)部體二極管的橫截面示意圖。

反向恢復(fù)行為

新一代CoolMOS 650V CFD的反向恢復(fù)特性如圖2所示。與標(biāo)準(zhǔn)器件相比，新一代CoolMOS 650V CFD器件具備極低的反向恢復(fù)電荷Qrr、極短的反向恢復(fù)時(shí)間trr和極小的反向恢復(fù)電流最大值Irrm。

圖2是在di/dt=100A/μs、25°C和Vr=400V等條件下測(cè)量的反向恢復(fù)波形。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器件，新一代CFD器件具備極低的Qrr、trr和Irrm。

與此同時(shí)，盡管Qrr、trr和Irrm大幅降低，但這種新器件的波形仍然顯示出軟特性。這種特性十分適用于硬換流，旨在避免電壓過沖和確保器件可靠運(yùn)行。

換流耐用性

圖3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢復(fù)波形。即使在測(cè)試儀達(dá)到最大功率條件下，這些器件也不會(huì)受損。

圖3的反向恢復(fù)測(cè)量結(jié)果(在di/dt “ 2000A/μs的條件下)顯示了CoolMOS(tm) 650V CFD2器件的換流耐用性。

在這些條件下，無任何器件受損。相對(duì)于其他超結(jié)器件波動(dòng)劇烈的波形，這些波形仍然顯示出了軟特性。顯而易見，這對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言是一大優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)人員可通過優(yōu)化其應(yīng)用，獲得最大性能，同時(shí)不必?fù)?dān)心器件在體二極管進(jìn)行硬換流時(shí)發(fā)生損毀。

Qrr 和 trr 與溫度關(guān)系

圖4 310mΩ 650V CFD器件的Qrr 和Trr 與溫度關(guān)系。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，了解Qrr和trr與溫度關(guān)系至關(guān)重要。Qrr和trr值會(huì)隨著溫度的升高而增大，這是因?yàn)槠骷械妮d流子在高溫下不斷增加。圖4顯示了310mΩ 650V CFD2器件的Qrr和trr值與溫度的這種關(guān)系。從圖形可看出Qrr和 trr與溫度成線性關(guān)系。

Qrr 和Trr與通態(tài)電阻關(guān)系

另一個(gè)需要注意的重要方面是Qrr和trr與器件的通態(tài)電阻關(guān)系，如圖5和圖6所示。圖5和圖6將新一代基于C6技術(shù)的650V CFD2器件與英飛凌前代基于C3技術(shù)的600V CFD進(jìn)行對(duì)比。

圖5 Qrr 與通態(tài)電阻關(guān)系，測(cè)量條件為25°C 。將80 mΩ、310 mΩ和 660mΩ650V CFD2器件與前代基于C3技術(shù)的600V CFD對(duì)比。

顯然，全新的650V CFD2器件相對(duì)于前代技術(shù)，在動(dòng)態(tài)特性(Qrr、trr)和最低通態(tài)電阻之間達(dá)到更好的平衡。[!--empirenews.page--]

圖6 trr與通態(tài)電阻關(guān)系，測(cè)量條件為25°C。將80mΩ、310mΩ和660mΩ 650V CFD2器件與前代基于C3技術(shù)的600V CFD對(duì)比。

在HID橋上的性能評(píng)估

我們還將這些新器件的性能與HID半橋上采用的SPD07N60C3進(jìn)行了對(duì)比。通過采用新一代CoolMOS CFD2器件，可無需使用D2、D3、D4和D5二極管，從而降低了系統(tǒng)成本(圖7)。

圖7 典型的HID半橋電路。利用全新的CoolMOS(tm) 650V CFD2器件代替T2 和 T3晶體管，無需采用D2 至D5的二極管。

圖8為T2 和T3晶體管為SPD07N60C3以及D2、D3、D4和D5二極管使用時(shí)，獲得的波形。采用這種設(shè)置時(shí)，我們可獲得91.81%的效率。

圖8 將SPD07N60C3作為開關(guān)和D2至 D5二極管使用時(shí)，在T3晶體管關(guān)斷階段的電路波形。系統(tǒng)效率達(dá)到91.81%。

通過去除與晶體管串聯(lián)的二極管，可消除額外的正向壓降。當(dāng)開關(guān)損耗因存儲(chǔ)在MOSFET內(nèi)的反向恢復(fù)電荷而增大時(shí)，該解決方案需要MOSFET的內(nèi)置體二極管具備更出色的性能。具體情況如圖9所示。除了開關(guān)損耗增大，另一個(gè)缺點(diǎn)是MOSFET最終會(huì)因高反向恢復(fù)電流而受損。

圖9 SPD07N60C3(不帶D2至D5二極管)在T3晶體管關(guān)斷階段的波形。系統(tǒng)效率為89.72%。

采用新一代IPD65R660CFD器件可獲得卓越的解決方案。由于這種MOSFET的內(nèi)置體二極管的性能出眾，可不采用D2至D5二極管，從而大幅提高系統(tǒng)效率。具體如圖10所示。

圖10 IPD65R660CFD(無需D2至D5二極管)在T3晶體管關(guān)斷階段的波形。系統(tǒng)效率為92.81%。

新一代IPD65R660CFD器件的內(nèi)置體二極管的優(yōu)化結(jié)構(gòu)與極低的反向恢復(fù)電荷特性的有機(jī)結(jié)合，還有助于確保器件的可靠運(yùn)行。

結(jié)論

革命性的CoolMOS 功率晶體管系列在能效方面樹立了行業(yè)新標(biāo)桿。作為高壓MOSFET技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，CoolMOS可大幅降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，確保高端電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高功率密度和高能效。針對(duì)應(yīng)用專門優(yōu)化的CoolMOS器件適用于消費(fèi)類產(chǎn)品、可再生能源、通信電源、適配器和其他產(chǎn)品。憑借其出類拔萃的性價(jià)比，CoolMOS?成為滿足目前不斷攀升的能源需求的理想之選。尤其是最新的，代表最高技術(shù)含量的高壓功率MOSFET使交流/直流電源系統(tǒng)更高效、更緊湊、更輕更涼。這種高壓MOSFET之所以取得這樣的成功，得益于其每種封裝上具備最低的通態(tài)電阻、最快的開關(guān)速度和最低的柵極驅(qū)動(dòng)需求。