中心議題：

• 快速恢復MOSFET非常適合于同步整流應用
• 介紹諧振轉換器開(kāi)關(guān)的電路組成和工作原理

解決方案：

• 采用快速恢復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

在能效規范和自愿性標準的推動(dòng)下，諧振轉換器逐漸受到廣泛采用，同時(shí)同步整流輸出級的設計基礎也得到提高。本文通過(guò)兩種受益于快速恢復MOSFET使用的應用來(lái)描述帶有快速恢復體二極管的MOSFET。表面看來(lái)，采用這類(lèi)MOSFET的好處局限于那些體二極管為硬開(kāi)關(guān)的應用，比如硬開(kāi)關(guān)逆變器拓撲。但在諧振轉換器的應用中使用無(wú)特殊處理的帶標準恢復二極管的MOSFET會(huì )導致失效率很高。此外，快速恢復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用。本文將總結為什么快速恢復MOSFET有如此優(yōu)勢，有時(shí)甚至在這類(lèi)應用中必不可少。

諧振轉換器開(kāi)關(guān)
圖1所示為零電壓開(kāi)關(guān)半橋諧振轉換器中MOSFET和體二極管的傳導原理。在這種轉換器中，電流波形滯后于電壓。假設Q1開(kāi)通，Q2關(guān)斷。Q1傳導諧振電流。在一定時(shí)間之后，由控制環(huán)路決定，Q1關(guān)斷。這時(shí)，諧振電流流經(jīng)Q2的體二極管。在負電流期間的某一時(shí)刻，Q2導通，減小傳導損耗。當其上電壓為體二極管的正向電壓時(shí)(遠小于總線(xiàn)電壓)，Q2導通。這就是有效的零電壓開(kāi)關(guān)。Q2中的諧振電流反向。在一定時(shí)間之后，同樣由控制環(huán)路決定，Q2關(guān)斷。當大電流流過(guò)，且Q2的電壓擺幅接近總線(xiàn)電壓時(shí)，這種關(guān)斷順序并非低損耗。

 在這種應用中，顯然沒(méi)有體二極管強迫關(guān)斷。只要Q1關(guān)斷，Q2的體二極管就導通。當電流方向反向時(shí)，Q2的體二極管自然關(guān)斷，從而無(wú)反向恢復損耗產(chǎn)生?；谶@種分析的話(huà)，Q1或Q2使用快速恢復MOSFET沒(méi)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，它們的導通阻抗RDS(ON)一般更高。例如，FQPF5N50CF 500V快速恢復MOSFET的室溫最大RDS(ON)為1.55歐姆，而FQPF5N50C標準MOSFET只有1.4歐姆。但600V SuperFET™系列是例外，它與標準同類(lèi)產(chǎn)品的RDS(ON)幾乎沒(méi)有差別。

移相全橋轉換器在可靠性方面的問(wèn)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。這種應用采用帶有標準恢復二極管的MOSFET。對標準零電壓開(kāi)關(guān)諧振轉換器進(jìn)行類(lèi)似的分析，結果顯示體二極管的特性的確相當重要。

讓我們回到前面對諧振轉換器開(kāi)關(guān)周期的解釋上，那只是簡(jiǎn)單假設負電流期間流經(jīng)Q2的所有電流都將流過(guò)通道。但實(shí)際上體二極管也傳導其中部分電流。當電流反向時(shí)，二極管要經(jīng)歷花費一定時(shí)間的正常反向恢復過(guò)程。在某些不利條件下，當MOSFET加載高電壓時(shí)，體二極管仍存儲有少量電荷。在重載時(shí)，大量的初始體電荷在通道中被迅速清除。輕載時(shí)，初始體電荷很少，但清除需要長(cháng)得多的時(shí)間。在某些情況下，這種少量電荷足以導致由MOSFET結構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MOSFET的存儲電荷要少得多，清除這些少量電荷也比帶標準體二極管的MOSFET快得多，故而上述問(wèn)題的嚴重程度得以大大減小。

消除體二極管效應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(huì )增加額外的組件成本和占位空間，并增大傳導損耗，首先就與使用諧振轉換器的初衷相悖。這種方法目前用于尚沒(méi)有足夠快的快速恢復MOSFET可用的諧振轉換器應用中。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(huì )增加輕載時(shí)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(kāi)銷(xiāo)，而且在溫度過(guò)高時(shí)實(shí)現相當困難。對于低dv/dt的系統，還有第三種方法，即是在體二極管導通之前導通MOSFET。這對移相全橋架構是可行的，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MOSFET。600V SuperFET™技術(shù)顯示，在標準MOSFET和快速恢復MOSFET之間，導通阻抗RDS(ON)幾乎沒(méi)有變化?？焖倩謴蚆OSFET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(lèi)最佳RDS(ON)。因此，在諧振轉換器中使用這些器件有助于提高系統總體效率，同時(shí)保持穩健性。

體二極管DV/DT額定值
使用帶有快速恢復體二極管的MOSFET對同步整流器應用非常有益。在大多數應用中，二極管都必需經(jīng)歷強迫換流(forced commutation)，這會(huì )導致二極管和二極管換流開(kāi)關(guān)產(chǎn)生損耗。故快速恢復MOSFET可為這類(lèi)應用提供超越標準MOSFET的優(yōu)勢，因其二極管反向恢復特性更好。

另一個(gè)微妙的優(yōu)勢是，較之標準體二極管MOSFET，快速恢復MOSFET的體二極管dv/dt額定值大為提高。在標準MOSFET應用中，比如驅動(dòng)鉗位電感負載，當器件導通時(shí)首先是電流增大，然后漏源電壓下降，當器件關(guān)斷時(shí)出現反向過(guò)程。因此，當通道導通時(shí)，MOSFET只受dv/dt或電壓變化的影響。在同步整流器應用和某些諧振應用中，在通道關(guān)斷時(shí)，MOSFET的dv/dt很高。尤其是在同步整流器應用中，利用驅動(dòng)電路確保二極管dv/dt額定值不被超過(guò)是十分重要的，否則可能導致破壞性的二次擊穿。

相比標準同類(lèi)器件，快速恢復MOSFET一般都具有更高的二極管dv/dt額定值。例如，FQP44N10F 100V FRFET™快速恢復MOSFET的二極管dv/dt額定值為15V/ns，而FQP44N10標準平面型MOSFET僅為6V/ns。

對于600V的諧振應用，這種提高就更為顯著(zhù)。FCB20N60F FRFET™SuperFET™的二極管dv/dt額定值為50V/ns，但標準FCB20N60的只有4.5V/ns。這兩款器件均具有190毫歐的室溫額定導通阻抗RDS(ON)。