面向硬开关和软开关应用并具备耐用体二极管的新一代650V超结器件

电路

摘要
新一代CoolMOS™ 650V CFD2技术为具备高性能体二极管的高压功率MOSFET树立了行业新杆标。该晶体管将650V的击穿电压、超低通态电阻、低容性损耗特性与改进反向恢复过程中的体二极管耐用性有机结合在一起，尤其适用于硬开关和软开关应用。性能的改进还可以从数据表规范中提供Qrr 和 trr 最大值来体现。本文研究了影响体二极管耐用性改进的多个因素。通过在HID半桥拓扑上应用验证这种采用快速体二极管的全新超结器件的优点。

1. 引言
随着功率密度不断提高，半桥（例如HID半桥或LLC）和全桥（例如ZVS全桥）等软开关拓扑成为理想的解决方案。由于改善了功率器件上di/dt 和dv/dt的动态性能，采用这些拓扑可降低系统的开关损耗，提高可靠性。这种情况主要出现在轻载条件下［1］。事实证明，CoolMOS™ 这样的超结器件可以克服这个问题，由于其内部优化了反向恢复过程电荷载流子去除功能，并且消除内部寄生NPN双极晶体管的栓锁问题 [2]。通过增强注入载流子的结合率可大幅降低反向恢复电荷，而且增强结合率可降低关断过程中的反向恢复峰值电流，并使反向恢复电荷大幅降低至约为原来的十分之一。对于优化体二极管（图1）性能在硬开关条件下应用而言，反向恢复波形的形状和印刷电路板的设计尤其重要[3-4]。新一代CoolMOS™ 650V CFD2改进了体二极管反向恢复性能，而且给击穿电压留有更大的安全裕量。

图1 CoolMOS高压功率MOSFET及其内部体二极管的横截面示意图
2. 反向恢复行为
新一代CoolMOS™ 650V CFD的反向恢复特性如图2所示。与标准器件相比，新一代CoolMOS™ 650V CFD器件具备极低的反向恢复电荷Qrr、极短的反向恢复时间trr 和极小的反向恢复电流最大值Irrm。

图2在di/dt=100A/µs、 25°C和 Vr=400V等条件下测量的反向恢复波形。相对于标准器件，新一代CFD器件具备极低的Qrr、trr 和 Irrm 。
与此同时，尽管Qrr、trr 和Irrm大幅降低，但这种新器件的波形仍然显示出软特性。这种特性十分适用于硬换流，旨在避免电压过冲和确保器件可靠运行。

3. 换流耐用性
图3的反向恢复测量结果（在di/dt 2000A/µs的条件下）显示了CoolMOS™ 650V CFD2器件的换流耐用性。

图3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢复波形。即使在测试仪达到最大功率条件下，这些器件也不会受损。
在这些条件下，无任何器件受损。相对于其他超结器件波动剧烈的波形，这些波形仍然显示出了软特性。显而易见，这对于设计人员而言是一大优势。设计人员可通过优化其应用，获得最大性能，同时不必担心器件在体二极管进行硬换流时发生损毁。
4. Qrr 和 trr 与温度关系
对于设计人员而言，了解Qrr 和 trr 与温度关系至关重要。Qrr 和 trr 值会随着温度的升高而增大，这是因为器件中的载流子在高温下不断增加。图4显示了310mΩ 650V CFD2器件的Qrr 和 trr 值与温度的这种关系。从图形可看出Qrr 和  trr 与温度成线性关系。

图4  310mΩ 650V CFD器件的Qrr 和Trr 与温度关系
5. Qrr 和Trr与通态电阻关系
另一个需要注意的重要方面是Qrr 和 trr 与器件的通态电阻关系，如图5和图6所示。图5和图6将新一代基于C6技术的650V CFD2器件与英飞凌前代基于C3技术的600V CFD进行对比。

图5  Qrr 与通态电阻关系，测量条件为25°C 。将80 mΩ、310 mΩ和 660mΩ 650V CFD2器件与前代基于C3技术的600V CFD对比。

图6  trr与通态电阻关系，测量条件为25°C 。将80 mΩ、310 mΩ和 660mΩ 650V CFD2器件与前代基于C3技术的600V CFD对比。
显然，全新的650V CFD2器件相对于前代技术，在动态特性（Qrr、trr）和最低通态电阻之间达到更好的平衡。
6. 在HID桥上的性能评估
我们还将这些新器件的性能与HID半桥上采用的SPD07N60C3进行了对比。通过采用新一代CoolMOS™ CFD2器件，可无需使用D2、D3、D4和 D5二极管，降低了系统成本（图7）。

图7 典型的HID半桥电路。利用全新的CoolMOS™ 650V CFD2器件代替T2 和 T3晶体管，无需采用D2 至D5的二极管。

图8 将SPD07N60C3作为开关和D2至 D5二极管使用时，在T3晶体管关断阶段的电路波形。系统效率达到91.81%。

图8为T2 和T3晶体管为SPD07N60C3以及D2、D3、D4和D5二极管使用时，获得的波形。采用这种设置时，我们可获得91.81%的效率。

通过去除与晶体管串联的二极管，可消除额外的正向压降。当开关损耗因存储在MOSFET内的反向恢复电荷而增大时，该解决方案需要MOSFET的内置体二极管具备更出色的性能。具体情况如图9所示。

图9 SPD07N60C3（不带D2至D5二极管）在T3晶体管关断阶段的波形。系统效率为89.72%。
除了开关损耗增大，另一个缺点是MOSFET最终会因高反向恢复电流而受损。

采用新一代IPD65R660CFD器件可获得卓越的解决方案。由于这种MOSFET的内置体二极管的性能出众，可不采用D2至D5二极管，从而大幅提高系统效率。具体如图10所示。

新一代IPD65R660CFD器件的内置体二极管的优化结构与极低的反向恢复电荷特性的有机结合，还有助于确保器件的可靠运行。

图10  IPD65R660CFD（无需D2至D5二极管）在T3晶体管关断阶段的波形。系统效率为92.81%。
7. 结论
英飞凌新一代CoolMOS™ CFD2器件具备最低的通态电阻和高达650V的阻断电压。这种的器件还具备极低的反向恢复电荷和结实耐用的内置体二极管。数据表规范中将提供全新的Qrr 和trr最大值。我们还评估了这种新器件在典型HID半桥电路应用中的性能：省去4个二极管，并获得出色效率。由于内置体二极管具备650V的击穿电压和结实的结构，因此这种新器件拥有更多安全特性，可防止在MOSFET硬换流过程中被损坏。

M.-A. Kutschak A)、W. JantscherA)、D. ZipprickB)、A. Ludsteck-PechloffB)

A) 英飞凌（奥地利）科技股份公司，地址： Siemensstraße 2, A-9500 Villach, Austria

B) 英飞凌科技股份公司，地址： Am Campeon 1-12, D-85579 Neubiberg, Germany

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