一种适于软硬开关应用的具有坚固体二极管的新型650V超结器件

 

　　2011年1月19日，英飞凌位于奥地利菲拉赫工厂生产的第35亿颗CoolMOS 高压MOSFET顺利下线。这使英飞凌成为成功的500V至900V晶体管供应商。通过不断改进芯片架构，使得CoolMOS 晶体管技术不断优化，这为取得成功奠定了坚实基础。

　　在晶体管问世55年后，英飞凌于2002年凭借突破性的CoolMOS 晶体管技术，喜获"德国工业创新奖".这种高压功率晶体管提升了一系列产品的能效，例如PC电源、服务器、太阳能逆变器、照明设备与通信电源设备等。而且这些节能晶体管如今还是各种消费类电子产品的器件，例如平板电视和游戏机等。当前所有电力工业设备和家用电器的都将高能效和节能做为主要性能指标。采用英飞凌的高能效半导体解决方案可使节省25%的能耗。例如，通过选用CoolMOS?产品，服务器电路板的功耗可减少约30W.服务器若按约6,000万台计算，共计可节电18亿瓦，这相当于一座核电站的发电量。

　　

　　图1 CoolMOS高压功率MOSFET及其内部体二极管的横截面示意图。

　　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值Irrm。

　　

　　图2是在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。

　　换流耐用性

　　

　　图3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢复波形。即使在测试仪达到功率条件下，这些器件也不会受损。

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

　　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。

　　Qrr 和 trr 与温度关系

　　

　　图4 310mΩ 650V CFD器件的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。

　　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。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。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。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。

　　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值Irrm。

　　

　　图2是在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。

　　换流耐用性

　　

　　图3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢复波形。即使在测试仪达到功率条件下，这些器件也不会受损。

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

　　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。

　　Qrr 和 trr 与温度关系

　　

　　图4 310mΩ 650V CFD器件的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。

　　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 660mΩ650V 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）和通态电阻之间达到更好的平衡。

　　

　　图6 trr与通态电阻关系，测量条件为25°C。将80mΩ、310mΩ和660mΩ 650V CFD2器件与前代基于C3技术的600V CFD对比。

　　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，从而降低了系统成本（图7）。

　　

　　图7 典型的HID半桥电路。利用全新的CoolMOS（tm） 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。

　　

　　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%。

　　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。除了开关损耗增大，另一个缺点是MOSFET终会因高反向恢复电流而受损。

　　

　　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%。

　　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。

　　

　　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%。

　　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。

　　结论

　　革命性的CoolMOS 功率晶体管系列在能效方面树立了行业新标杆。作为高压MOSFET技术的，CoolMOS可大幅降低导通和开关损耗，确保高端电源转换系统实现高功率密度和高能效。针对应用专门优化的CoolMOS器件适用于消费类产品、可再生能源、通信电源、适配器和其他产品。凭借其出类拔萃的性价比，CoolMOS?成为满足目前不断攀升的能源需求的理想之选。尤其是的，代表技术含量的高压功率MOSFET使交流/直流电源系统更高效、更紧凑、更轻更凉。这种高压MOSFET之所以取得这样的成功，得益于其每种封装上具备的通态电阻、快的开关速度和的栅极驱动需求。