你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

在諧振轉(zhuǎn)換器和同步整流中使用快速恢復(fù)MOSFET

發(fā)布時(shí)間:2008-10-06 來源:飛兆半導(dǎo)體歐洲分公司

中心議題:

  • 快速恢復(fù)MOSFET非常適合于同步整流應(yīng)用
  • 介紹諧振轉(zhuǎn)換器開關(guān)的電路組成和工作原理

解決方案:

  • 采用快速恢復(fù)MOSFET,減少存儲(chǔ)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(yīng)

 

在能效規(guī)范和自愿性標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下,諧振轉(zhuǎn)換器逐漸受到廣泛采用,同時(shí)同步整流輸出級(jí)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)也得到提高。本文通過兩種受益于快速恢復(fù)MOSFET使用的應(yīng)用來描述帶有快速恢復(fù)體二極管的MOSFET。表面看來,采用這類MOSFET的好處局限于那些體二極管為硬開關(guān)的應(yīng)用,比如硬開關(guān)逆變器拓?fù)?。但在諧振轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中使用無特殊處理的帶標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管的MOSFET會(huì)導(dǎo)致失效率很高。此外,快速恢復(fù)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(yīng)用。本文將總結(jié)為什么快速恢復(fù)MOSFET有如此優(yōu)勢(shì),有時(shí)甚至在這類應(yīng)用中必不可少。


諧振轉(zhuǎn)換器開關(guān)

圖1所示為零電壓開關(guān)半橋諧振轉(zhuǎn)換器中MOSFET和體二極管的傳導(dǎo)原理。在這種轉(zhuǎn)換器中,電流波形滯后于電壓。假設(shè)Q1開通,Q2關(guān)斷。Q1傳導(dǎo)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(fù)電流期間的某一時(shí)刻,Q2導(dǎo)通,減小傳導(dǎo)損耗。當(dāng)其上電壓為體二極管的正向電壓時(shí)(遠(yuǎn)小于總線電壓),Q2導(dǎo)通。這就是有效的零電壓開關(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(dāng)大電流流過,且Q2的電壓擺幅接近總線電壓時(shí),這種關(guān)斷順序并非低損耗。


 在這種應(yīng)用中,顯然沒有體二極管強(qiáng)迫關(guān)斷。只要Q1關(guān)斷,Q2的體二極管就導(dǎo)通。當(dāng)電流方向反向時(shí),Q2的體二極管自然關(guān)斷,從而無反向恢復(fù)損耗產(chǎn)生?;谶@種分析的話,Q1或Q2使用快速恢復(fù)MOSFET沒有什么意義。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(dǎo)通阻抗RDS(ON)一般更高。例如,F(xiàn)QPF5N50CF 500V快速恢復(fù)MOSFET的室溫最大RDS(ON)為1.55歐姆,而FQPF5N50C標(biāo)準(zhǔn)MOSFET只有1.4歐姆。但600V SuperFET™系列是例外,它與標(biāo)準(zhǔn)同類產(chǎn)品的RDS(ON)幾乎沒有差別。

移相全橋轉(zhuǎn)換器在可靠性方面的問題在九十年代后期有研究和相關(guān)報(bào)道。研究起因在于采用了這些拓?fù)涞碾娫词柿钊速M(fèi)解地高。這種應(yīng)用采用帶有標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管的MOSFET。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)零電壓開關(guān)諧振轉(zhuǎn)換器進(jìn)行類似的分析,結(jié)果顯示體二極管的特性的確相當(dāng)重要。

讓我們回到前面對(duì)諧振轉(zhuǎn)換器開關(guān)周期的解釋上,那只是簡(jiǎn)單假設(shè)負(fù)電流期間流經(jīng)Q2的所有電流都將流過通道。但實(shí)際上體二極管也傳導(dǎo)其中部分電流。當(dāng)電流反向時(shí),二極管要經(jīng)歷花費(fèi)一定時(shí)間的正常反向恢復(fù)過程。在某些不利條件下,當(dāng)MOSFET加載高電壓時(shí),體二極管仍存儲(chǔ)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(zhǎng)得多的時(shí)間。在某些情況下,這種少量電荷足以導(dǎo)致由MOSFET結(jié)構(gòu)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(fù)MOSFET的存儲(chǔ)電荷要少得多,清除這些少量電荷也比帶標(biāo)準(zhǔn)體二極管的MOSFET快得多,故而上述問題的嚴(yán)重程度得以大大減小。

消除體二極管效應(yīng)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(dǎo)損耗,首先就與使用諧振轉(zhuǎn)換器的初衷相悖。這種方法目前用于尚沒有足夠快的快速恢復(fù)MOSFET可用的諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中。另一種方法是在MOSFET的柵漏極之間運(yùn)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(chǔ)電荷。這種鉗位增加了額外的成本和空間開銷,而且在溫度過高時(shí)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。對(duì)于低dv/dt的系統(tǒng),還有第三種方法,即是在體二極管導(dǎo)通之前導(dǎo)通MOSFET。這對(duì)移相全橋架構(gòu)是可行的,但對(duì)半橋和全橋諧振拓?fù)溆锰幉淮?,因?yàn)榇嬖趽舸┑娘L(fēng)險(xiǎn)。


最好的解決方案是采用快速恢復(fù)MOSFET。600V SuperFET™技術(shù)顯示,在標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和快速恢復(fù)MOSFET之間,導(dǎo)通阻抗RDS(ON)幾乎沒有變化??焖倩謴?fù)MOSFET系列有從11A到47A的大范圍尺寸和封裝的產(chǎn)品。這些器件具有同類最佳RDS(ON)。因此,在諧振轉(zhuǎn)換器中使用這些器件有助于提高系統(tǒng)總體效率,同時(shí)保持穩(wěn)健性。

體二極管DV/DT額定值
使用帶有快速恢復(fù)體二極管的MOSFET對(duì)同步整流器應(yīng)用非常有益。在大多數(shù)應(yīng)用中,二極管都必需經(jīng)歷強(qiáng)迫換流(forced commutation),這會(huì)導(dǎo)致二極管和二極管換流開關(guān)產(chǎn)生損耗。故快速恢復(fù)MOSFET可為這類應(yīng)用提供超越標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的優(yōu)勢(shì),因其二極管反向恢復(fù)特性更好。

另一個(gè)微妙的優(yōu)勢(shì)是,較之標(biāo)準(zhǔn)體二極管MOSFET,快速恢復(fù)MOSFET的體二極管dv/dt額定值大為提高。在標(biāo)準(zhǔn)MOSFET應(yīng)用中,比如驅(qū)動(dòng)鉗位電感負(fù)載,當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)首先是電流增大,然后漏源電壓下降,當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)反向過程。因此,當(dāng)通道導(dǎo)通時(shí),MOSFET只受dv/dt或電壓變化的影響。在同步整流器應(yīng)用和某些諧振應(yīng)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(yīng)用中,利用驅(qū)動(dòng)電路確保二極管dv/dt額定值不被超過是十分重要的,否則可能導(dǎo)致破壞性的二次擊穿。

相比標(biāo)準(zhǔn)同類器件,快速恢復(fù)MOSFET一般都具有更高的二極管dv/dt額定值。例如,F(xiàn)QP44N10F 100V FRFET™快速恢復(fù)MOSFET的二極管dv/dt額定值為15V/ns,而FQP44N10標(biāo)準(zhǔn)平面型MOSFET僅為6V/ns。

對(duì)于600V的諧振應(yīng)用,這種提高就更為顯著。FCB20N60F FRFET™SuperFET™的二極管dv/dt額定值為50V/ns,但標(biāo)準(zhǔn)FCB20N60的只有4.5V/ns。這兩款器件均具有190毫歐的室溫額定導(dǎo)通阻抗RDS(ON)。

要采購轉(zhuǎn)換器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉