MOSFET的結(jié)構(gòu)及反向恢復(fù)波形分析

基于橋式結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，例如半橋、全橋和LLC的電源系統(tǒng)，同步Buck變換器的續(xù)流開關(guān)管、以及次級同步整流開關(guān)管， 其體內(nèi)寄生的二極管都會經(jīng)歷反向電流恢復(fù)的過程。

功率MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)性能和快恢復(fù)二極管及肖特基二極管相比，其反向恢復(fù)速度要低很多， 反向恢復(fù)電荷也要大很多，因此反向恢復(fù)的特性較差。

這樣，導(dǎo)致二極管的開關(guān)損耗增加，降低系統(tǒng)的效率，同時，也會產(chǎn)生較高的振鈴，影響功率MOSFET的安全工作，甚至可能導(dǎo)致橋臂直通，功率MOSFET損壞。

MOSFET的結(jié)構(gòu)及反向恢復(fù)波形分析

N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在柵極加上一定正電壓后，溝槽壁側(cè)的P基區(qū)反型，形成垂直溝道。由圖1中的結(jié)構(gòu)可以看到， P基區(qū)和N-epi形成了一個PN結(jié)，即MOSFET的寄生體二極管。

圖1 MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在開關(guān)變換器中，由于寄生體二極管的存在，就無需分立的二極管來提供續(xù)流的通路， 因此，體二極管也擁有普通二極管一樣的特性，比如最重要的反向恢復(fù)特性。當(dāng)通入的電壓突然反向時，二極管上的電流也瞬間反向了，隨后才變小，進(jìn)而進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)。這個現(xiàn)象就叫二極管的反向恢復(fù)，圖2可以很好地說明整個反向恢復(fù)的過程。

圖2 反向恢復(fù)波形

a. 在階段 (1), 體二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；

b. 在階段 (2), 體二極管開始導(dǎo)通，二極管正向?qū)ā?/p>

c. 在階段 (3), 二極管正向?qū)?，正向電?I=IF。

d. 階段 (4), 當(dāng)體二極管突然施加反向電壓時，二極管電流減小至0，然后反向增加，且由于二極管反向電壓的上升，導(dǎo)致了反向恢復(fù)電流的di/dt 逐漸減?。划?dāng)di/dt 降到0，掃出電流達(dá)到最大值，即IRR；

e. 階段 (5), 反向恢復(fù)過程結(jié)束，由于負(fù)di/dt 的存在， 二極管上的反向電壓將會出現(xiàn)超調(diào)， 當(dāng)電流降為0 時，反向電壓將會達(dá)到最大值，之后，回路進(jìn)入了RLC自由振蕩階段。階段 (6)二極管關(guān)斷過程結(jié)束。

功率MOSFET的換流方式

功率MOSFET有兩種換流方式---硬換流與軟換流。MOSFET的硬整流與MOSFET的體二極管反向恢復(fù)有關(guān)，比如體二極管關(guān)斷時的正向?qū)娏鳎蛘呃塾嫹聪蚧謴?fù)的電荷量。另一種軟換流則是指功率MOSFET換流時可以避免二極管的反向恢復(fù)影響，這在ZCS軟開關(guān)變換器中很常見，因為反向恢復(fù)條件只發(fā)生在關(guān)斷過程中，正向電流和二極管電壓均為正，所以從理論上講，體二極管的反向恢復(fù)在零電流開關(guān)變換器中不發(fā)生。本文旨在分析二極管的反向恢復(fù)對MOSFET換流的影響，所以軟換流不會在本文件中進(jìn)一步討論。

下面就硬換流過程結(jié)合半橋電路進(jìn)行分析，在實際的半橋變換器的應(yīng)用中，同步整流下管由MOSFET來代替二極管可以有效減小導(dǎo)通損耗。同步整流管與上管互補(bǔ)導(dǎo)通，圖3為Infineon關(guān)于硬換流的半橋測試電路原理圖，在這個測試電路中，同步整流管接地，這可以強(qiáng)制整流電流完全通過體二極管進(jìn)行續(xù)流，以此來檢測二極管的反向恢復(fù)現(xiàn)象。

圖3 MOSFET反向恢復(fù)測試電路示意圖

圖3右側(cè)圖是體二極管關(guān)斷時的電壓電流波形，初始狀態(tài)為正向?qū)?，?dāng)上管開通時，下管的體二極管開始關(guān)斷。二極管電流以固定斜率 (di/dt)下降到零，然后反向增加。負(fù)電流也就是反向恢復(fù)電流(Irr)，最終到達(dá)峰值反向恢復(fù)電流的峰值 (Irrm)，然后再回到0。反向恢復(fù)過程結(jié)束，體二極管回到阻斷狀態(tài)。

反向恢復(fù)電荷(Qrr)

一般數(shù)據(jù)手冊中都會通過圖3所示的電路得到反向恢復(fù)電荷Qrr和反向恢復(fù)時間Trr，用以表征該MOSFET的反向恢復(fù)能力。其中Trr測量得到，Qrr則通過計算圖中的陰影面積得到，近似由下面公式得到。

在半橋電路中，當(dāng)體二極管處于反向恢復(fù)過程中，反向恢復(fù)電流與上管的MOSFET電流同向，導(dǎo)致MOSFET上有一個過沖，這將導(dǎo)致MOSFET發(fā)生雪崩，甚至可能超過其雪崩時間，其次為了抑制過沖，需要加一定的緩沖電路來滿足功率器件的降額使用。圖3中的VDS(peak) 即為所闡述的過沖電壓。

如前所述，反向恢復(fù)Qrr能夠引起過沖，越大的Qrr，過沖越大，甚至存在器件損壞的風(fēng)險。換句話說，也就是Qrr較低的器件不易受到劇烈的硬換流影響。因此，Qrr是功率器件硬換流強(qiáng)度的很好的指標(biāo)。

由于Qrr在很多情況下是不可避免的，所以理解影響反向恢復(fù)和Qrr的因素是很有必要的，下面即為Qrr與其影響因素之間關(guān)系的闡述。

反向恢復(fù)電荷隨時間積累，在一個固定的二極管導(dǎo)通電流與di/dt，Qrr在二極管導(dǎo)通期間積累，導(dǎo)通時間越長，電荷量積累越多直到飽和為止。圖4為Qrr隨時間積累的過程圖。

圖4為Qrr隨時間積累的過程圖

在固定的di/dt情況下，二極管導(dǎo)通電流越大，儲存的Qrr越高。圖5給出了Qrr與二極管導(dǎo)通電流的關(guān)系。

圖5 Qrr與二極管導(dǎo)通電流的關(guān)系

飽和的Qrr也會隨著電流的變化快慢而變化，電流的變化斜率 (di/dt)越高，Qrr越高。換句話說，如果整流環(huán)路設(shè)計的比較好且電感量很低，可以使得開關(guān)頻率很高，MOSFET勢必會累積下很高的Qrr。圖6給出了Qrr與電流變化斜率 (di/dt)的關(guān)系。

圖6 Qrr與電流變化斜率 (di/dt)的關(guān)系

結(jié)語

對于MOSFET體二極管的反向恢復(fù)帶來的影響，改善措施有以下兩個方面，

1.最直接且最有效減小Qrr的措施是更換Qrr更小的MOSFET；
2.根據(jù)影響Qrr的因素，做出相應(yīng)的改善措施，如降低二極管導(dǎo)通時間，減小二極管導(dǎo)通電流以及減小換流的電流斜率，但相對來說這些措施是比較難實現(xiàn)或者難以控制的。

*二極管導(dǎo)通一般發(fā)生在死去區(qū)間，所以有效減少死去時間就可以減少二極管反向恢復(fù)的影響，但缺點(diǎn)是如何控制最小死區(qū)時間比較難把握。

*二極管導(dǎo)通電流的大小則是由電路拓?fù)?，而電路拓?fù)涞倪x擇需要考慮很多因素，一旦確定，很難因為二極管的反向恢復(fù)進(jìn)行更改。

*電流斜率(di/dt)則與換流環(huán)路的寄生電感有關(guān)。一方面為了減小Qrr的影響，需要增大電感量，而另一方面則為了實現(xiàn)更高的工作頻率，需要減小PCB layout的寄生電感參數(shù)，這又是互相矛盾的。

所以我們針對MOSFET反向恢復(fù)的處理，在其他條件允許范圍內(nèi)，盡量選取Qrr值低的MOSFET，更近一步措施，考慮減小相關(guān)因素的影響。