原创 使用650V SuperFET® II FRFET® MOSFET改进系统效率和可靠性

在迅速变化、鼓励节能的市场环境中，大多数工业专家都认为，新功率技术将在功率转换应用领域起重要作用。对于服务器/电信电源系统，高功率密度、系统效率以及可靠性永远是关键因素。 超结MOSFET早已用于谐振转换器，但一般情况下，体二极管性能无法满足这些拓扑结构的要求。 新开发的650V快速恢复超结MOSFET，即SuperFET® II FRFET®MOSFET，具有坚固的体二极管、较高阈值电压(Vth=4V)、超低导通电阻和超快开关速度。 它可为服务器/电信应用领域提供更高的可靠性和更佳的效率。

在高电压MOSFET技术中，降低导通电阻方面最显著的成就当属电荷平衡技术。 与前代超结MOSFET（即SuperFET® MOSFET）相比，SuperFET® II MOSFET结合了更快速的开关和体二极管的Qrr性能，使给定芯片面积的RDS(ON)降低40%。 除了RDS(ON)降低，下列参数的改进也为谐振转换器应用带来很多优势。 与体二极管相关的零电压开关和LLC谐振技术将在下文详述。

表格I DUT主要规格比较

图1. 比较在ISD=10A、di/dt=100A/μs、VDS=400V，Tj=25ºC条件下的反向恢复特性

如表格1所示，650V/190mΩ SuperFET® II FRFET® MOSFET的栅极电荷Qg大幅降低，与前代600V/190mΩ SuperFET® I FRFET® MOSFET相比降低27%。 图1显示在ISD=10A、di/dt=100A/μs、VDS=400V和Tj=25ºC条件下反向恢复特性的比较。 显然，与前代产品相比，SuperFET® II FRFET® MOSFET的反向恢复电荷Qrr减少了47%。 而且，与SuperFET®I FRFET® MOSFET相比，SuperFET® II FRFET® MOSFET在反向恢复期间的电压尖峰较低，因为后者具有软反向恢复特性和较小的Qrr，如图1所示。 MOSFET输出电容是理解零电压开关(ZVS)拓扑的另一个重要寄生参数。 它决定需要多少电感来提供ZVS条件，因为MOSFET输出电感可在ZVS拓扑中充当谐振元件。 理解L-C和开关时序的关系使得开关周期的这部分（几乎）达到无损。 因此，如果MOSFET输出电容中存储的电能较小，则只需较小谐振能量即可实现软开关。 如图2所示，在典型开关电源大电容电压在MOSFET两端产生400V时，SuperFET® II FRFET® MOSFET输出电容中存储的能量比SuperFET® I FRFET®MOSFET低大约23.3% 。 图3显示开关损耗比较。 在钳位感性开关测试中，与前代SuperFET® I FRFET® MOSFET相比，SuperFET® II FRFET® MOSFET具有更佳的开关性能，依据负载电流开关损耗减少约22~42%，测试条件如下：Vdd=400V，Rg=4.7ohm 且Id=2~20A

图2. 输出电容存储电能比较，EOSS

图3 开关损耗比较(Eon + Eoff)，测试条件：Vdd=400V, Rg=4.7ohm和Id=2~20A

LLC谐振转换器需要坚固的体二极管，因为过载、输出短路条件和启动时的浪涌电流都有较高的电流应力。 即使功率MOSFET的电流和电压处于安全工作领域，与直通电流、反向恢复dv/dt和击穿dv/dt相关的意外设备故障仍然可能在各种条件下发生，如过载、输出短路。 最糟的情况是短路。 短路时，MOSFET将通过极高的（理论上是无限高）电流。 发生短路时，短路期间的工作模式几乎与过载条件相同，但短路时更为糟糕，因为流过开关体二极管的反向恢复电流更高。 图4显示正常MOSFET在LLC谐振转换器发生短路时的故障波形。 短路时的电流更高，可导致MOSFET的结温升高，增加发生故障的可能性。 快速恢复MOSFET由于具有强健的体二极管性能，可以防止这种故障。

图4. 短路时LLC谐振转换器**率MOSFET的波形

新款快速恢复SuperFET® II MOSFET结合了更快、更坚固的固有体二极管性能与快速开关，以便为包括谐振转换器的应用带来更高的可靠性和效率。 输出电容中具有更低的栅极电荷和存储电能，提高了开关效率，并降低了驱动和输出电容损耗。 快速恢复SuperFET®II MOSFET的性能可帮助设计者大幅提高系统效率和可靠性，尤其是异常条件下的移相全桥转换器或半桥LLC谐振转换器。