在谐振转换器和同步整流中使用快速恢复MOSFET

中心议题：

• 快速恢复MOSFET非常适合于同步整流应用
• 介绍谐振转换器开关的电路组成和工作原理

解决方案：

• 采用快速恢复MOSFET，减少存储电荷
• 采用控向二极管隔离MOSFET的体二极管，消除体二极管效应

 

在能效规范和自愿性标准的推动下，谐振转换器逐渐受到广泛采用，同时同步整流输出级的设计基础也得到提高。本文通过两种受益于快速恢复MOSFET使用的应用来描述带有快速恢复体二极管的MOSFET。表面看来，采用这类MOSFET的好处局限于那些体二极管为硬开关的应用，比如硬开关逆变器拓扑。但在谐振转换器的应用中使用无特殊处理的带标准恢复二极管的MOSFET会导致失效率很高。此外，快速恢复MOSFET出色的体二极管特性加上高dv/dt特性使其非常适合于同步整流应用。本文将总结为什么快速恢复MOSFET有如此优势，有时甚至在这类应用中必不可少。

谐振转换器开关
图1所示为零电压开关半桥谐振转换器中MOSFET和体二极管的传导原理。在这种转换器中，电流波形滞后于电压。假设Q1开通，Q2关断。Q1传导谐振电流。在一定时间之后，由控制环路决定，Q1关断。这时，谐振电流流经Q2的体二极管。在负电流期间的某一时刻，Q2导通，减小传导损耗。当其上电压为体二极管的正向电压时(远小于总线电压)，Q2导通。这就是有效的零电压开关。Q2中的谐振电流反向。在一定时间之后，同样由控制环路决定，Q2关断。当大电流流过，且Q2的电压摆幅接近总线电压时，这种关断顺序并非低损耗。

 在这种应用中，显然没有体二极管强迫关断。只要Q1关断，Q2的体二极管就导通。当电流方向反向时，Q2的体二极管自然关断，从而无反向恢复损耗产生。基于这种分析的话，Q1或Q2使用快速恢复MOSFET没有什么意义。首先，它们基于额外的工艺步骤制作，成本更高。其次，它们的导通阻抗RDS(ON)一般更高。例如，FQPF5N50CF 500V快速恢复MOSFET的室温最大RDS(ON)为1.55欧姆，而FQPF5N50C标准MOSFET只有1.4欧姆。但600V SuperFET™系列是例外，它与标准同类产品的RDS(ON)几乎没有差别。

移相全桥转换器在可靠性方面的问题在九十年代后期有研究和相关报道。研究起因在于采用了这些拓扑的电源失效率令人费解地高。这种应用采用带有标准恢复二极管的MOSFET。对标准零电压开关谐振转换器进行类似的分析，结果显示体二极管的特性的确相当重要。

让我们回到前面对谐振转换器开关周期的解释上，那只是简单假设负电流期间流经Q2的所有电流都将流过通道。但实际上体二极管也传导其中部分电流。当电流反向时，二极管要经历花费一定时间的正常反向恢复过程。在某些不利条件下，当MOSFET加载高电压时，体二极管仍存储有少量电荷。在重载时，大量的初始体电荷在通道中被迅速清除。轻载时，初始体电荷很少，但清除需要长得多的时间。在某些情况下，这种少量电荷足以导致由MOSFET结构中的寄生双极型晶体管引起的MOSFET破坏性二次击穿。由于快速恢复MOSFET的存储电荷要少得多，清除这些少量电荷也比带标准体二极管的MOSFET快得多，故而上述问题的严重程度得以大大减小。

消除体二极管效应的方法之一是用所谓的控向二极管隔离MOSFET的体二极管。这会增加额外的组件成本和占位空间，并增大传导损耗，首先就与使用谐振转换器的初衷相悖。这种方法目前用于尚没有足够快的快速恢复MOSFET可用的谐振转换器应用中。另一种方法是在MOSFET的栅漏极之间运用反饱和钳位。这种方法会增加轻载时的损耗，但可减少体二极管中的存储电荷。这种钳位增加了额外的成本和空间开销，而且在温度过高时实现相当困难。对于低dv/dt的系统，还有第三种方法，即是在体二极管导通之前导通MOSFET。这对移相全桥架构是可行的，但对半桥和全桥谐振拓扑用处不大，因为存在击穿的风险。

最好的解决方案是采用快速恢复MOSFET。600V SuperFET™技术显示，在标准MOSFET和快速恢复MOSFET之间，导通阻抗RDS(ON)几乎没有变化。快速恢复MOSFET系列有从11A到47A的大范围尺寸和封装的产品。这些器件具有同类最佳RDS(ON)。因此，在谐振转换器中使用这些器件有助于提高系统总体效率，同时保持稳健性。

体二极管DV/DT额定值
使用带有快速恢复体二极管的MOSFET对同步整流器应用非常有益。在大多数应用中，二极管都必需经历强迫换流(forced commutation)，这会导致二极管和二极管换流开关产生损耗。故快速恢复MOSFET可为这类应用提供超越标准MOSFET的优势，因其二极管反向恢复特性更好。

另一个微妙的优势是，较之标准体二极管MOSFET，快速恢复MOSFET的体二极管dv/dt额定值大为提高。在标准MOSFET应用中，比如驱动钳位电感负载，当器件导通时首先是电流增大，然后漏源电压下降，当器件关断时出现反向过程。因此，当通道导通时，MOSFET只受dv/dt或电压变化的影响。在同步整流器应用和某些谐振应用中，在通道关断时，MOSFET的dv/dt很高。尤其是在同步整流器应用中，利用驱动电路确保二极管dv/dt额定值不被超过是十分重要的，否则可能导致破坏性的二次击穿。

相比标准同类器件，快速恢复MOSFET一般都具有更高的二极管dv/dt额定值。例如，FQP44N10F 100V FRFET™快速恢复MOSFET的二极管dv/dt额定值为15V/ns，而FQP44N10标准平面型MOSFET仅为6V/ns。

对于600V的谐振应用，这种提高就更为显著。FCB20N60F FRFET™SuperFET™的二极管dv/dt额定值为50V/ns，但标准FCB20N60的只有4.5V/ns。这两款器件均具有190毫欧的室温额定导通阻抗RDS(ON)。

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