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)特性理解功率 MOSFET 體二極管反向恢復(fù)特性字符大?。?【大】 【中 (默認(rèn) )】 【小】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)流開關(guān)管、以及次級(jí)同步整流開關(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，

2、 通常給出了一定條件下的Qrr 和反向恢復(fù)的時(shí)間，并沒有給出和實(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，對(duì)應(yīng)的反向恢復(fù)特性，本文就討論這些問題并做詳細(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示，在 N-epi 外延層上擴(kuò)散形成P 基區(qū)，然后通過刻蝕技術(shù)所形成深度超過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

3、-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)，正向電壓削弱了PN 結(jié)的內(nèi)電場，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)的少子比無外加電壓時(shí)多，這些多出來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?N 區(qū)擴(kuò)散過程中，同 N 區(qū)中的多子電子相遇而復(fù)合，距離 PN

4、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，它們將通過兩個(gè)途徑逐漸減少：a. 在反向電場作用下，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。通過圖 2 可以很好地說明整個(gè)反向恢復(fù)的過程。a. T0 T1 階段， PN 結(jié)處于正向偏置，即勢壘區(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. T1 T2 階段，二極管的存儲(chǔ)電荷在反向電壓的作用下開始掃出，但 PN

5、結(jié)仍未形成耗盡層，反向電流由掃出的過量電荷維持。 因此二極管不能承受反向電壓，電流仍以 di/dt 速率下降；c. T2 T3 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)開始承受反向電壓。由于二極管反向電壓的上升，導(dǎo)致了反向恢復(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. T3 T4 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

6、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/dt 大小的因素，設(shè)計(jì)了圖 3 所示的電路。其中U2 為被測器件， U1為開關(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，用來提供正向電流IF 。電路工作過程如下，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

7、為二極管的正向?qū)娏鱅F 。當(dāng) U1 再次打開時(shí)， VDC 通過 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?，可以忽略不?jì)，因此根據(jù)回路的 KVL 方程可得(1)由式（ 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。下面通過三個(gè)試驗(yàn)來研究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，所以通過仿真的方法來驗(yàn)證 di/dt 的變化情況。圖 4 為 L1 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 的開通速度通過控制 U1 的柵極電容 C1 來改變 U1 的開通速度同樣也可以改變電流變化率 di/dt ，這是因?yàn)?U1 的開關(guān)速度改變了 VDS(U1) 的變化率。圖 5 為改變柵極電容的實(shí)際測試結(jié)果，可以看到隨著 Cgs 的減小， U1 的開通速度變快， di/dt 變大，反向恢復(fù)電流