隨著功率密度不斷提高，半橋（例如HID半橋或LLC）和全橋（例如ZVS全橋）等軟開關(guān)" title="軟開關(guān)">軟開關(guān)拓?fù)涑蔀槔硐氲慕鉀Q方案。由于改善了功率器件上di/dt和dv/dt的動態(tài)性能，采用這些拓?fù)淇山档拖到y(tǒng)的開關(guān)損耗，提高可靠性。這種情況主要出現(xiàn)在輕載條件下。事實證明，CoolMOS這樣的超結(jié)器件可以克服這個問題，由于其內(nèi)部優(yōu)化了反向恢復(fù)過程電荷載流子去除功能，并且消除內(nèi)部寄生NPN雙極晶體管的栓鎖問題。通過增強注入載流子的結(jié)合率可大幅降低反向恢復(fù)電荷，而且增強結(jié)合率可降低關(guān)斷過程中的反向恢復(fù)峰值電流，并使反向恢復(fù)電荷大幅降低至約為原來的十分之一。對于優(yōu)化體二極管" title="二極管">二極管（圖1）性能在硬開關(guān)" title="硬開關(guān)">硬開關(guān)條件下應(yīng)用而言，反向恢復(fù)波形的形狀和印刷電路板的設(shè)計尤其重要。新一代CoolMOS 650V CFD2改進了體二極管反向恢復(fù)性能，而且給擊穿電壓留有更大的安全裕量。
圖1 CoolMOS高壓功率MOSFET" title="MOSFET">MOSFET及其內(nèi)部體二極管的橫截面示意圖。
反向恢復(fù)行為
新一代CoolMOS 650V CFD的反向恢復(fù)特性如圖2所示。與標(biāo)準(zhǔn)器件相比，新一代CoolMOS 650V CFD器件具備極低的反向恢復(fù)電荷Qrr、極短的反向恢復(fù)時間trr和極小的反向恢復(fù)電流最大值Irrm。
圖2是在di/dt=100A/μs、25°C和Vr=400V等條件下測量的反向恢復(fù)波形。相對于標(biāo)準(zhǔn)器件，新一代CFD器件具備極低的Qrr、trr和Irrm。
與此同時，盡管Qrr、trr和Irrm大幅降低，但這種新器件的波形仍然顯示出軟特性。這種特性十分適用于硬換流，旨在避免電壓過沖和確保器件可靠運行。
換流耐用性
圖3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢復(fù)波形。即使在測試儀達到最大功率條件下，這些器件也不會受損。
圖3的反向恢復(fù)測量結(jié)果（在di/dt “ 2000A/μs的條件下）顯示了CoolMOS（tm） 650V CFD2器件的換流耐用性。
在這些條件下，無任何器件受損。相對于其他超結(jié)器件波動劇烈的波形，這些波形仍然顯示出了軟特性。顯而易見，這對于設(shè)計人員而言是一大優(yōu)勢。設(shè)計人員可通過優(yōu)化其應(yīng)用，獲得最大性能，同時不必?fù)?dān)心器件在體二極管進行硬換流時發(fā)生損毀。
Qrr 和 trr 與溫度關(guān)系
圖4 310mΩ 650V CFD器件的Qrr 和Trr 與溫度關(guān)系。
對于設(shè)計人員而言，了解Qrr和trr與溫度關(guān)系至關(guān)重要。Qrr和trr值會隨著溫度的升高而增大，這是因為器件中的載流子在高溫下不斷增加。圖4顯示了310mΩ 650V CFD2器件的Qrr和trr值與溫度的這種關(guān)系。從圖形可看出Qrr和 trr與溫度成線性關(guān)系。
隨著功率密度不斷提高，半橋（例如HID半橋或LLC）和全橋（例如ZVS全橋）等軟開關(guān)拓?fù)涑蔀槔硐氲慕鉀Q方案。由于改善了功率器件上di/dt和dv/dt的動態(tài)性能，采用這些拓?fù)淇山档拖到y(tǒng)的開關(guān)損耗，提高可靠性。這種情況主要出現(xiàn)在輕載條件下。事實證明，CoolMOS這樣的超結(jié)器件可以克服這個問題，由于其內(nèi)部優(yōu)化了反向恢復(fù)過程電荷載流子去除功能，并且消除內(nèi)部寄生NPN雙極晶體管的栓鎖問題。通過增強注入載流子的結(jié)合率可大幅降低反向恢復(fù)電荷，而且增強結(jié)合率可降低關(guān)斷過程中的反向恢復(fù)峰值電流，并使反向恢復(fù)電荷大幅降低至約為原來的十分之一。對于優(yōu)化體二極管（圖1）性能在硬開關(guān)條件下應(yīng)用而言，反向恢復(fù)波形的形狀和印刷電路板的設(shè)計尤其重要。新一代CoolMOS 650V CFD2改進了體二極管反向恢復(fù)性能，而且給擊穿電壓留有更大的安全裕量。
圖1 CoolMOS高壓功率MOSFET及其內(nèi)部體二極管的橫截面示意圖。
反向恢復(fù)行為
新一代CoolMOS 650V CFD的反向恢復(fù)特性如圖2所示。與標(biāo)準(zhǔn)器件相比，新一代CoolMOS 650V CFD器件具備極低的反向恢復(fù)電荷Qrr、極短的反向恢復(fù)時間trr和極小的反向恢復(fù)電流最大值Irrm。
圖2是在di/dt=100A/μs、25°C和Vr=400V等條件下測量的反向恢復(fù)波形。相對于標(biāo)準(zhǔn)器件，新一代CFD器件具備極低的Qrr、trr和Irrm。
與此同時，盡管Qrr、trr和Irrm大幅降低，但這種新器件的波形仍然顯示出軟特性。這種特性十分適用于硬換流，旨在避免電壓過沖和確保器件可靠運行。
換流耐用性
圖3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢復(fù)波形。即使在測試儀達到最大功率條件下，這些器件也不會受損。
圖3的反向恢復(fù)測量結(jié)果（在di/dt “ 2000A/μs的條件下）顯示了CoolMOS（tm） 650V CFD2器件的換流耐用性。
在這些條件下，無任何器件受損。相對于其他超結(jié)器件波動劇烈的波形，這些波形仍然顯示出了軟特性。顯而易見，這對于設(shè)計人員而言是一大優(yōu)勢。設(shè)計人員可通過優(yōu)化其應(yīng)用，獲得最大性能，同時不必?fù)?dān)心器件在體二極管進行硬換流時發(fā)生損毀。
Qrr 和 trr 與溫度關(guān)系
圖4 310mΩ 650V CFD器件的Qrr 和Trr 與溫度關(guān)系。
對于設(shè)計人員而言，了解Qrr和trr與溫度關(guān)系至關(guān)重要。Qrr和trr值會隨著溫度的升高而增大，這是因為器件中的載流子在高溫下不斷增加。圖4顯示了310mΩ 650V CFD2器件的Qrr和trr值與溫度的這種關(guān)系。從圖形可看出Qrr和 trr與溫度成線性關(guān)系。
Qrr 和Trr與通態(tài)電阻關(guān)系
另一個需要注意的重要方面是Qrr和trr與器件的通態(tài)電阻關(guān)系，如圖5和圖6所示。圖5和圖6將新一代基于C6技術(shù)的650V CFD2器件與英飛凌前代基于C3技術(shù)的600V CFD進行對比。
圖5 Qrr 與通態(tài)電阻關(guān)系，測量條件為25°C 。將80 mΩ、310 mΩ和 660mΩ650V CFD2器件與前代基于C3技術(shù)的600V CFD對比。
顯然，全新的650V CFD2器件相對于前代技術(shù)，在動態(tài)特性（Qrr、trr）和最低通態(tài)電阻之間達到更好的平衡。
圖6 trr與通態(tài)電阻關(guān)系，測量條件為25°C。將80mΩ、310mΩ和660mΩ 650V CFD2器件與前代基于C3技術(shù)的600V CFD對比。
在HID橋上的性能評估
我們還將這些新器件的性能與HID半橋上采用的SPD07N60C3進行了對比。通過采用新一代CoolMOS CFD2器件，可無需使用D2、D3、D4和D5二極管，從而降低了系統(tǒng)成本（圖7）。
圖7 典型的HID半橋電路。利用全新的CoolMOS（tm） 650V CFD2器件代替T2 和 T3晶體管，無需采用D2 至D5的二極管。
圖8為T2 和T3晶體管為SPD07N60C3以及D2、D3、D4和D5二極管使用時，獲得的波形。采用這種設(shè)置時，我們可獲得91.81%的效率。
圖8 將SPD07N60C3作為開關(guān)和D2至 D5二極管使用時，在T3晶體管關(guān)斷階段的電路波形。系統(tǒng)效率達到91.81%。
通過去除與晶體管串聯(lián)的二極管，可消除額外的正向壓降。當(dāng)開關(guān)損耗因存儲在MOSFET內(nèi)的反向恢復(fù)電荷而增大時，該解決方案需要MOSFET的內(nèi)置體二極管具備更出色的性能。具體情況如圖9所示。除了開關(guān)損耗增大，另一個缺點是MOSFET最終會因高反向恢復(fù)電流而受損。
圖9 SPD07N60C3（不帶D2至D5二極管）在T3晶體管關(guān)斷階段的波形。系統(tǒng)效率為89.72%。
采用新一代IPD65R660CFD器件可獲得卓越的解決方案。由于這種MOSFET的內(nèi)置體二極管的性能出眾，可不采用D2至D5二極管，從而大幅提高系統(tǒng)效率。具體如圖10所示。
圖10 IPD65R660CFD（無需D2至D5二極管）在T3晶體管關(guān)斷階段的波形。系統(tǒng)效率為92.81%。
新一代IPD65R660CFD器件的內(nèi)置體二極管的優(yōu)化結(jié)構(gòu)與極低的反向恢復(fù)電荷特性的有機結(jié)合，還有助于確保器件的可靠運行。
結(jié)論
英飛凌新一代CoolMOS CFD2器件具備最低的通態(tài)電阻和高達650V的阻斷電壓。這種的器件還具備極低的反向恢復(fù)電荷和結(jié)實耐用的內(nèi)置體二極管。數(shù)據(jù)表規(guī)范中將提供全新的Qrr和trr最大值。我們還評估了這種新器件在典型HID半橋電路應(yīng)用中的性能：省去4個二極管，并獲得出色效率。由于內(nèi)置體二極管具備650V的擊穿電壓和結(jié)實的結(jié)構(gòu)，因此這種新器件擁有更多安全特性，可防止在MOSFET硬換流過程中被損壞。