“超級結(jié)”技術由于其優(yōu)越的品質(zhì)因數(shù)，已經(jīng)在擊穿電壓超過600V的功率MOSFET市場中占據(jù)主導地位。在設計基于超級結(jié)的功率器件時，工程師必須考慮一些因素，以提高電源應用中的效率、功率密度和可靠性。
工程考慮因素
如圖1所示，首先需要考慮的是P列從基區(qū)延伸，形成漂移區(qū)的“電荷平衡”，以實現(xiàn)更高的摻雜濃度，即相應區(qū)域的更低電阻。延伸的結(jié)區(qū)域帶來了過多反向恢復電荷的缺點。
圖1：超級結(jié)MOSFET中的PN結(jié)
圖2顯示了一個典型的半橋配置，在低側(cè)MOSFET開啟前的死區(qū)時間內(nèi)，電流通過高側(cè)MOSFET的體二極管自由回路。低側(cè)MOSFET開始開啟時發(fā)生體二極管的反向恢復。
由于高側(cè)MOSFET的反向恢復電荷，低側(cè)MOSFET會看到一個負電流尖峰。這會導致低側(cè)MOSFET過大的開啟損耗。同時，高側(cè)MOSFET在Tb期間會看到一個高的上升速率電壓和電壓尖峰，這會對器件造成過載。
圖2：半橋電路中的體二極管反向恢復
最終，如圖3的示例所示，當正向電流和電流上升速率超出器件的安全工作范圍時，600V超級結(jié)器件的故障是由體二極管恢復引起的。
圖3：說明由體二極管反向恢復引起的設備故障
需要注意的問題是，基于超級結(jié)的功率器件中的體二極管反向恢復已經(jīng)深刻影響了高壓功率器件在電源設計中的選擇。圖4顯示了AC/DC電源中的典型電路。
在功率因數(shù)校正階段，作為高側(cè)器件使用SiC肖特基二極管而不是同步整流FET，因為同步整流器的反向恢復引起的開關損耗在目標開關頻率下(通常高于50kHz)太高。
在DC-DC階段，使用軟開關LLC電路，在正常運行模式下不會發(fā)生高壓器件的硬換相。器件的硬換相會導致體二極管反向恢復，因此在這種情況下不會發(fā)生。
然而，在異常運行條件下如啟動和短路瞬態(tài)期間，LLC電路中可能會發(fā)生硬換相。LLC電路的控制器設計中通常需要對這些瞬態(tài)進行保護。未能防止LLC電路中的硬換相可能會由于非常迅猛的體二極管反向恢復瞬態(tài)導致高壓器件故障。
圖4：典型的 AC/DC 電源電路結(jié)構
在某些情況下，高壓器件的體二極管反向恢復是無法避免的。例如，在具有數(shù)字控制器的高功率LLC轉(zhuǎn)換器中，沒有逐周期硬換相保護。在高壓電機驅(qū)動應用中，高側(cè)和低側(cè)開關都需要有源器件(MOSFET/IGBT)。在這些應用中，改善體二極管的反向恢復電荷和可靠性是高壓功率器件的關鍵要求。
αMOS5快速恢復二極管技術
由Alpha和Omega Semiconductor(AOS)開發(fā)的αMOS5快速恢復二極管(FRD)MOSFET平臺專門針對低反向恢復電荷和開關魯棒性進行了優(yōu)化。
在這項技術中應用了電子輻照來控制反向恢復階段雙極載流子的壽命。它通過創(chuàng)建缺陷作為復合中心，加速FRD在正向偏置和反向恢復階段的電子/空穴對復合過程，從而顯著減少FRD漂移區(qū)存儲的過多電荷總量。
比較具有相同超級結(jié)結(jié)構但不同載流子壽命控制的Qrr波形，ER處理的部分顯示出顯著減少的Qrr值。抑制的Qrr意味著FRD中會有更小的功率尖峰，從而抑制熱故障的風險。
值得注意的是，MOSFET的有源/終止過渡區(qū)是反向恢復故障最脆弱的部分，因為它在有限的面積內(nèi)通過高電流密度。αMOS5平臺的一個關鍵優(yōu)勢是它采用了保守的終止設計，使電場在過渡區(qū)均勻分布。這一優(yōu)化防止了在反向恢復tb階段由于過度功率密度引起的局部熱點燒毀。
圖5：ER控制的反向恢復波形
測試結(jié)果
AOS αMOS5 FRD MOSFET測試驗證了體二極管反向恢復的安全操作條件。測試結(jié)果在器件數(shù)據(jù)手冊中提供。
圖6顯示了AOS的AOK042A60FD 600V 42m? αMOS5 SJ MOSFET和兩款具有相似BVdss和Rdson規(guī)格的競爭對手的測試波形。測試在50A正向電流和1000A/us上升速率下在三種不同溫度下進行。
如表1所示，AOK042A60FD在200°C下通過了測試，而競爭對手在較低溫度下未能通過測試。
表1：反向恢復穩(wěn)定性測試結(jié)果
值得注意的是，AOK042A60FD在Tb期間波形中顯示出最低的漏極電壓上升速率。這有助于器件在嚴酷的反向恢復瞬態(tài)中生存并改善其EMI性能。
測試結(jié)果顯示，AOS αMOS5 FRD SJ器件在反向恢復瞬態(tài)中提供了高度有效的體二極管魯棒性，這在LLC轉(zhuǎn)換器等橋式應用中確保了系統(tǒng)在異常和瞬態(tài)條件下的最高可靠性。
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