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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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?;谶@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(biāo)準(zhǔn)MOSFET只有1.4歐姆。但600V SuperFET™系列是例外,它與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管的MOSFET。對標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)MOSFET和快速恢復(fù)MOSFET之間,導(dǎo)通阻抗RDS(ON)幾乎沒有變化??焖倩謴?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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)MOSFET應(yīng)用中,比如驅(qū)動鉗位電感負載,當(dāng)器件導(dǎo)通時首先是電流增大,然后漏源電壓下降,當(dāng)器件關(guān)斷時出現(xiàn)反向過程。因此,當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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)。