中心議題：
- 快速恢復(fù)MOSFET非常適合于同步整流應(yīng)用
- 介紹諧振轉(zhuǎn)換器開關(guān)的電路組成和工作原理
解決方案：
- 采用快速恢復(fù)MOSFET，減少存儲電荷
- 采用控向二極管隔離MOSFET的體二極管，消除體二極管效應(yīng)
在能效規(guī)范和自愿性標準的推動下，諧振轉(zhuǎn)換器逐漸受到廣泛采用，同時同步整流輸出級的設(shè)計基礎(chǔ)也得到提高。本文通過兩種受益于快速恢復(fù)MOSFET使用的應(yīng)用來描述帶有快速恢復(fù)體二極管的MOSFET。表面看來，采用這類MOSFET的好處局限于那些體二極管為硬開關(guān)的應(yīng)用，比如硬開關(guān)逆變器拓撲。但在諧振轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中使用無特殊處理的帶標準恢復(fù)二極管的MOSFET會導(dǎo)致失效率很高。此外，快速恢復(fù)MOSFET出色的體二極管特性加上高dv/dt特性使其非常適合于同步整流應(yīng)用。本文將總結(jié)為什么快速恢復(fù)MOSFET有如此優(yōu)勢，有時甚至在這類應(yīng)用中必不可少。
諧振轉(zhuǎn)換器開關(guān)
圖1所示為零電壓開關(guān)半橋諧振轉(zhuǎn)換器中MOSFET和體二極管的傳導(dǎo)原理。在這種轉(zhuǎn)換器中，電流波形滯后于電壓。假設(shè)Q1開通，Q2關(guān)斷。Q1傳導(dǎo)諧振電流。在一定時間之后，由控制環(huán)路決定，Q1關(guān)斷。這時，諧振電流流經(jīng)Q2的體二極管。在負電流期間的某一時刻，Q2導(dǎo)通，減小傳導(dǎo)損耗。當其上電壓為體二極管的正向電壓時(遠小于總線電壓)，Q2導(dǎo)通。這就是有效的零電壓開關(guān)。Q2中的諧振電流反向。在一定時間之后，同樣由控制環(huán)路決定，Q2關(guān)斷。當大電流流過，且Q2的電壓擺幅接近總線電壓時，這種關(guān)斷順序并非低損耗。
在這種應(yīng)用中，顯然沒有體二極管強迫關(guān)斷。只要Q1關(guān)斷，Q2的體二極管就導(dǎo)通。當電流方向反向時，Q2的體二極管自然關(guān)斷，從而無反向恢復(fù)損耗產(chǎn)生。基于這種分析的話，Q1或Q2使用快速恢復(fù)MOSFET沒有什么意義。首先，它們基于額外的工藝步驟制作，成本更高。其次，它們的導(dǎo)通阻抗RDS(ON)一般更高。例如，F(xiàn)QPF5N50CF 500V快速恢復(fù)MOSFET的室溫最大RDS(ON)為1.55歐姆，而FQPF5N50C標準MOSFET只有1.4歐姆。但600V SuperFET™系列是例外，它與標準同類產(chǎn)品的RDS(ON)幾乎沒有差別。
移相全橋轉(zhuǎn)換器在可靠性方面的問題在九十年代后期有研究和相關(guān)報道。研究起因在于采用了這些拓撲的電源失效率令人費解地高。這種應(yīng)用采用帶有標準恢復(fù)二極管的MOSFET。對標準零電壓開關(guān)諧振轉(zhuǎn)換器進行類似的分析，結(jié)果顯示體二極管的特性的確相當重要。
讓我們回到前面對諧振轉(zhuǎn)換器開關(guān)周期的解釋上，那只是簡單假設(shè)負電流期間流經(jīng)Q2的所有電流都將流過通道。但實際上體二極管也傳導(dǎo)其中部分電流。當電流反向時，二極管要經(jīng)歷花費一定時間的正常反向恢復(fù)過程。在某些不利條件下，當MOSFET加載高電壓時，體二極管仍存儲有少量電荷。在重載時，大量的初始體電荷在通道中被迅速清除。輕載時，初始體電荷很少，但清除需要長得多的時間。在某些情況下，這種少量電荷足以導(dǎo)致由MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生雙極型晶體管引起的MOSFET破壞性二次擊穿。由于快速恢復(fù)MOSFET的存儲電荷要少得多，清除這些少量電荷也比帶標準體二極管的MOSFET快得多，故而上述問題的嚴重程度得以大大減小。
消除體二極管效應(yīng)的方法之一是用所謂的控向二極管隔離MOSFET的體二極管。這會增加額外的組件成本和占位空間，并增大傳導(dǎo)損耗，首先就與使用諧振轉(zhuǎn)換器的初衷相悖。這種方法目前用于尚沒有足夠快的快速恢復(fù)MOSFET可用的諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中。另一種方法是在MOSFET的柵漏極之間運用反飽和鉗位。這種方法會增加輕載時的損耗，但可減少體二極管中的存儲電荷。這種鉗位增加了額外的成本和空間開銷，而且在溫度過高時實現(xiàn)相當困難。對于低dv/dt的系統(tǒng)，還有第三種方法，即是在體二極管導(dǎo)通之前導(dǎo)通MOSFET。這對移相全橋架構(gòu)是可行的，但對半橋和全橋諧振拓撲用處不大，因為存在擊穿的風險。
最好的解決方案是采用快速恢復(fù)MOSFET。600V SuperFET™技術(shù)顯示，在標準MOSFET和快速恢復(fù)MOSFET之間，導(dǎo)通阻抗RDS(ON)幾乎沒有變化。快速恢復(fù)MOSFET系列有從11A到47A的大范圍尺寸和封裝的產(chǎn)品。這些器件具有同類最佳RDS(ON)。因此，在諧振轉(zhuǎn)換器中使用這些器件有助于提高系統(tǒng)總體效率，同時保持穩(wěn)健性。
體二極管DV/DT額定值
使用帶有快速恢復(fù)體二極管的MOSFET對同步整流器應(yīng)用非常有益。在大多數(shù)應(yīng)用中，二極管都必需經(jīng)歷強迫換流(forced commutation)，這會導(dǎo)致二極管和二極管換流開關(guān)產(chǎn)生損耗。故快速恢復(fù)MOSFET可為這類應(yīng)用提供超越標準MOSFET的優(yōu)勢，因其二極管反向恢復(fù)特性更好。
另一個微妙的優(yōu)勢是，較之標準體二極管MOSFET，快速恢復(fù)MOSFET的體二極管dv/dt額定值大為提高。在標準MOSFET應(yīng)用中，比如驅(qū)動鉗位電感負載，當器件導(dǎo)通時首先是電流增大，然后漏源電壓下降，當器件關(guān)斷時出現(xiàn)反向過程。因此，當通道導(dǎo)通時，MOSFET只受dv/dt或電壓變化的影響。在同步整流器應(yīng)用和某些諧振應(yīng)用中，在通道關(guān)斷時，MOSFET的dv/dt很高。尤其是在同步整流器應(yīng)用中，利用驅(qū)動電路確保二極管dv/dt額定值不被超過是十分重要的，否則可能導(dǎo)致破壞性的二次擊穿。
相比標準同類器件，快速恢復(fù)MOSFET一般都具有更高的二極管dv/dt額定值。例如，F(xiàn)QP44N10F 100V FRFET™快速恢復(fù)MOSFET的二極管dv/dt額定值為15V/ns，而FQP44N10標準平面型MOSFET僅為6V/ns。
對于600V的諧振應(yīng)用，這種提高就更為顯著。FCB20N60F FRFET™SuperFET™的二極管dv/dt額定值為50V/ns，但標準FCB20N60的只有4.5V/ns。這兩款器件均具有190毫歐的室溫額定導(dǎo)通阻抗RDS(ON)。
