理解功率MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性

1、理解功率MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性半橋、全橋和LLC的電源系統(tǒng)以及電機(jī)控制系統(tǒng)的主功率MOSFET、同步Buck變換器的續(xù)流開(kāi)關(guān)管、以及次級(jí)同步整流開(kāi)關(guān)管，其體內(nèi)寄生的二極管都會(huì)經(jīng)歷反向電流恢復(fù)的過(guò)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(kāi)關(guān)損耗增加，降低系統(tǒng)的效率，同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較高的振鈴，影響功率MOSFET的安全工作 。功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，通常給出了一定條件下的Qrr和反向恢復(fù)的時(shí)間，并沒(méi)有給出和實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的、在不同的起始電流和不同的電流下降斜率下

2、，對(duì)應(yīng)的反向恢復(fù)特性，本文就討論這些問(wèn)題并做詳細(xì)的分析。 MOSFET的結(jié)構(gòu)及反向恢復(fù)波形分析溝槽Trench型N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在N-epi外延層上擴(kuò)散形成P基區(qū)，然后通過(guò)刻蝕技術(shù)形成深度超過(guò)P基區(qū)的溝槽，在溝槽壁上熱氧化生成柵氧化層，再用多晶硅填充溝槽，利用自對(duì)準(zhǔn)工藝形成N+源區(qū)，背面的N+substrate為漏區(qū)，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(gè)PN結(jié)，即MOSFET的寄生體二極管。圖1 MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2 反向恢復(fù)波形 當(dāng)體二極管外加正向電壓VF時(shí)，正向

3、電壓削弱了PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)，漂移運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被增強(qiáng)，擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡被破壞。結(jié)果造成P區(qū)的空穴（多子）流向N區(qū)，N區(qū)的電子(多子）流向P區(qū)，如圖1中箭頭所示。進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴分別成為該區(qū)的少子。因此，在P區(qū)和N區(qū)的少子比無(wú)外加電壓時(shí)多，這些多出來(lái)的少子稱為非平衡少子。這些非平衡少子，依靠積累時(shí)濃度差在N區(qū)和P區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散?？昭ㄔ贜區(qū)擴(kuò)散過(guò)程中，同N區(qū)中的多子電子相遇而復(fù)合，距離PN結(jié)邊界越遠(yuǎn)，復(fù)合掉的空穴就越多。通常把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)體二極管施加反向電壓時(shí)，P區(qū)存儲(chǔ)的電子和N區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，它們將通過(guò)兩個(gè)途徑逐漸減少：a

4、. 在反向電場(chǎng)作用下，P區(qū)電子被拉回N區(qū)，N區(qū)空穴被拉回P區(qū)，形成反向漂移電流；b. 與多數(shù)載流子復(fù)合。通過(guò)圖2可以很好地說(shuō)明整個(gè)反向恢復(fù)的過(guò)程。a. T0T1階段，PN結(jié)處于正向偏置，即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄，PN結(jié)的電阻很小，二極管的正向電流以一固定的di/dt逐漸減小，di/dt的大小由外電路決定；b. T1T2階段，二極管的存儲(chǔ)電荷在反向電壓的作用下開(kāi)始掃出，但PN結(jié)仍未形成耗盡層，反向電流由掃出的過(guò)量電荷維持。因此二極管不能承受反向電壓，電流仍以di/dt速率下降；c. T2T3階段，PN結(jié)處等離子濃度衰減為0，即在PN結(jié)處形成耗盡層，PN結(jié)開(kāi)始承受反向電壓。由于二極管反向電壓的上升，導(dǎo)致了

5、反向恢復(fù)電流的di/dt逐漸減??；在T3時(shí)刻，二極管電壓達(dá)到VDC，di/dt降到0，掃出電流達(dá)到最大值，即IRR；d. T3T4階段，反向電流由從等離子區(qū)擴(kuò)散到耗盡層的載流子維持，由于等離子的持續(xù)耗散，在空間電荷區(qū)的邊緣過(guò)量電荷濃度的梯度逐漸減小，導(dǎo)致T3后的反向電流將減小。由于負(fù)di/dt的存在，二極管上的反向電壓將會(huì)出現(xiàn)超調(diào)，當(dāng)電流降為0時(shí)，反向電壓將會(huì)達(dá)到最大值。T4之后，回路進(jìn)入了RLC自由振蕩階段。 反向恢復(fù)中的di/dt分析圖3 反向恢復(fù)仿真電路 由于di/dt直接影響了反向恢復(fù)電流IRR的大小，因此分析di/dt的變化對(duì)實(shí)際應(yīng)用將會(huì)很有意義。為分析影響di/

6、dt大小的因素，設(shè)計(jì)了圖3所示的電路。其中U2為被測(cè)器件，U1為開(kāi)關(guān)管，為電感提供電流以及為U2提供反向電壓，L1為線路的寄生電感，L2為負(fù)載電感，用來(lái)提供正向電流IF。電路工作過(guò)程如下，當(dāng)U1導(dǎo)通時(shí)，電感L2的電流上升，其峰值電流為，當(dāng)U1關(guān)斷時(shí)，L2的電流經(jīng)U2的體二極管續(xù)流，此電流即為二極管的正向?qū)娏鱅F。當(dāng)U1再次打開(kāi)時(shí)，VDC通過(guò)L1、U1施加正向電壓于U2的體二極管，使其進(jìn)入反向恢復(fù)階段。 1 T2時(shí)刻之前的di/dt分析在T2時(shí)刻之前，U2的體二極管反向?qū)娮韬苄。梢院雎圆挥?jì)，因此根據(jù)回路的KVL方程可得     (1)由

7、式（1）可知，di/dt由三個(gè)因素決定，即VDC，VDS(U1)，L1。VDC越高，VDS(U1)、L1越小，di/dt就越大。下面通過(guò)三個(gè)試驗(yàn)來(lái)研究di/dt的變化情況。試驗(yàn)1：改變寄生電感由于回路的寄生電感L1改變比較困難，所以通過(guò)仿真的方法來(lái)驗(yàn)證di/dt的變化情況。圖4為L(zhǎng)1為不同電感值的仿真結(jié)果，可以看到，電感值越小，di/dt越大，反向恢復(fù)電流IRR也越大。 圖4 不同L1的反向恢復(fù)仿真波形 試驗(yàn)2：改變U1的開(kāi)通速度通過(guò)控制U1的柵極電容C1來(lái)改變U1的開(kāi)通速度同樣也可以改變電流變化率di/dt，這是因?yàn)閁1的開(kāi)關(guān)速度改變了VDS(U1)的變化率。圖5為改變柵

8、極電容的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，可以看到隨著Cgs的減小，U1的開(kāi)通速度變快，di/dt變大，反向恢復(fù)電流IRR也會(huì)變大。但U1的開(kāi)關(guān)速度對(duì)di/dt的影響是有限的，因?yàn)閂DS(U1)對(duì)di/dt的影響僅僅是在U1的開(kāi)通期間（即di/dt變化的初期），當(dāng)U1完全開(kāi)通后，di/dt僅由回路的寄生電感L1決定。 圖5 不同Cgs下的反向恢復(fù)測(cè)試結(jié)果（非仿真）試驗(yàn)3：改變正向電流IF通過(guò)改變U1的PWM脈沖的占空比來(lái)改變電感中的電流IP，也即二極管的正向?qū)娏鱅F。由圖6可以看出，當(dāng)IF大于18A時(shí)，其di/dt基本不變，反向恢復(fù)峰值電流IRR也基本保持不變，這是因?yàn)?，在TU1(ON)時(shí)刻后，U1

9、已完全導(dǎo)通，VDS(U1)不再變化，所以di/dt不變。但當(dāng)電流小于12A時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其di/dt變小，反向恢復(fù)峰值電流IRR也明顯變小，這是因?yàn)樵赥U1(ON)時(shí)刻前，U1尚未完全導(dǎo)通，VDS(U1)仍然較高，所以di/dt較小。 圖6 不同IF下的反向恢復(fù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果（非仿真） 2 T3時(shí)刻之后的di/dt分析與T2時(shí)刻之前di/dt不同的是，T3之后的恢復(fù)電流di/dt的大小不是由外圍電路的參數(shù)來(lái)決定的，而是取決于體二極管本身的特性。在T3時(shí)刻后，二極管上的反向偏置已達(dá)到VDC，其反向恢復(fù)電流主要由擴(kuò)散電流來(lái)維持，其di/dt反映了少子因復(fù)合而消失的時(shí)間的長(zhǎng)短。通常用二極管的軟度系數(shù)來(lái)衡量在此階段的恢復(fù)特性，即S=(T4-T3)/(T3-T1)。較硬的恢復(fù)特性會(huì)導(dǎo)致很高的di/dt，從而造成較高的過(guò)沖，同時(shí)產(chǎn)生振鈴，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性，導(dǎo)致系統(tǒng)的EMI超標(biāo)，效率下降等。反向恢復(fù)電流IRR越高，T3時(shí)刻后的di/dt也越高，因此控制IRR的大小有助于控制di/dt的大小。 結(jié)語(yǔ)在實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET的體二極管給我們帶來(lái)了很多的方便和好處，但我們不能忽視其反向恢復(fù)特性對(duì)系統(tǒng)的影響，從以上分析可以總結(jié)出關(guān)于MOSF