理解功率MOSFET体二极管反向恢复特性
6页1、理解功率MOSFET体二极管反向恢复特性半桥、全桥和LLC的电源系统以及电机控制系统的主功率MOSFET 、同步 Buck 变换器的续流开关管、 以及次级同步整流开关管,其体内寄生的二极管都会经历反向电流恢复的过程。功率 MOSFET 的体二极管的反向恢复性能和快恢复二极管及肖特基二极管相比,其反向恢复速度要低很多, 反向恢复电荷也要大很多,因此反向恢复的特性较差。这样,导致二极管的开关损耗增加,降低系统的效率,同时,也会产生较高的振铃,影响功率MOSFET 的安全工作 。功率 MOSFET 数据表中, 通常给出了一定条件下的Qrr 和反向恢复的时间,并没有给出和实际应用相关的、在不同的起始电流和不同的电流下降斜率下,对应的反向恢复特性,本文就讨论这些问题并做详细的分析。MOSFET 的结构及反向恢复波形分析沟槽 Trench 型 N沟道增强型功率MOSFET 的结构如图1 所示,在 N-epi 外延层上扩散形成 P基区, 然后通过刻蚀技术形成深度超过P基区的沟槽,在沟槽壁上热氧化生成栅氧化层,再用多晶硅填充沟槽,利用自对准工艺形成N+源区,背面的N+substrate为漏区,在栅极加
2、上一定正电压后,沟槽壁侧的P基区反型,形成垂直沟道。由图1 中的结构可以看到,P基区和 N-epi 形成了一个PN结,即 MOSFET 的寄生体二极管。图 1 MOSFET 内部结构图 2 反向恢复波形当体二极管外加正向电压VF时,正向电压削弱了PN结的内电场, 漂移运动被削弱,扩散运动被增强,扩散和漂移的动态平衡被破坏。结果造成P区的空穴(多子)流向N区, N区的电子 (多子)流向P区,如图1 中箭头所示。进入P区的电子和进入N区的空穴分别成为该区的少子。 因此,在 P区和 N区的少子比无外加电压时多,这些多出来的少子称为非平衡少子。 这些非平衡少子,依靠积累时浓度差在N区和 P区进行扩散。 空穴在 N区扩散过程中,同 N区中的多子电子相遇而复合,距离PN结边界越远,复合掉的空穴就越多。通常把正向导通时,非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。当体二极管施加反向电压时,P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失,它们将通过两个途径逐渐减少:a. 在反向电场作用下, P区电子被拉回N区, N区空穴被拉回P区, 形成反向漂移电流;b. 与多数载流子复合。通过图 2 可以很好地说明整个
3、反向恢复的过程。a. T0 T1 阶段, PN结处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,PN结的电阻很小,二极管的正向电流以一固定的di/dt逐渐减小, di/dt的大小由外电路决定;b. T1 T2 阶段,二极管的存储电荷在反向电压的作用下开始扫出,但PN结仍未形成耗尽层,反向电流由扫出的过量电荷维持。因此二极管不能承受反向电压,电流仍以di/dt速率下降;c. T2 T3 阶段, PN结处等离子浓度衰减为0,即在 PN结处形成耗尽层,PN结开始承受反向电压。由于二极管反向电压的上升,导致了反向恢复电流的di/dt逐渐减小;在T3时刻,二极管电压达到VDC ,di/dt降到 0,扫出电流达到最大值,即IRR;d. T3T4 阶段,反向电流由从等离子区扩散到耗尽层的载流子维持,由于等离子的持续耗散,在空间电荷区的边缘过量电荷浓度的梯度逐渐减小,导致 T3后的反向电流将减小。由于负 di/dt的存在, 二极管上的反向电压将会出现超调,当电流降为0 时,反向电压将会达到最大值。 T4 之后,回路进入了RLC自由振荡阶段。反向恢复中的di/dt分析图 3 反向恢复仿真电路由于 di/dt直接影响了反
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