MOSFET体二极管的反向恢复特性与桥式电路损耗的关系

在逆变器电路和Totem Pole型功率因数改善（PFC）电路等具有2个以上MOSFET的桥式电路中，由于流过上下桥臂的电流会使导通损耗增加。该现象受开关MOSFET和对应桥臂MOSFET的体二极管（寄生二极管）的反向恢复特性影响很大。因此，在桥式电路中，体二极管反向恢复特性优异的MOSFET优势明显。

什么是双脉冲测试？

双脉冲测试是广泛应用于MOSFET和IGBT等功率开关元件特性评估的一种测试方法。该测试不仅可以评估对象元件的开关特性，还可以评估体二极管和IGBT一同使用的快速恢复二极管（FRD）等的反向恢复特性。因此，对导通时发生反向恢复特性引起损耗的电路的评估非常有效。双脉冲测试的基本电路图如下所示。
另外，当该电路的Q1是续流用MOSFET、Q2是驱动用MOSFET时，双脉冲测试的基本工作如下表所示。基本工作主要可以分为①、②、③这三种。当定义脉冲发生器的电压为VPulse、流过电感的电流为IL、Q2的漏源电压为VDS_L、Q2的漏极电流为ID_L时，各模式的工作、电流路径和波形如表所示。
在工作③中，在Q2导通时可以观测到短路电流（ID_L红色部分）。这是由Q1体二极管的反向恢复特性引发的。

当体二极管从ON转换为OFF时，必须将ON时所蓄积的电荷进行放电。此时，设从体二极管释放出的电荷量为Qrr，释放电荷所产生的电流峰值为Irr，Q2的功率损耗为Pd_L，则Q2的导通动作可以如右图所示。ID_L的三角形面积为Qrr、三角形的高为Irr。
一般情况下，当续流侧元件Q1的体二极管反向恢复特性较差、Qrr也较大时，驱动侧元件Q2的导通损耗会增加。因此，在像逆变器电路这样的流过再生电流的应用和Totem Pole型PFC电路中，需要考虑到体二极管的反向恢复特性对损耗有较大的影响。
关键要点:
・在具有2个以上MOSFET的桥式电路中，当MOSFET的体二极管反向恢复特性较差时，导通损耗会增加。
・双脉冲测试是广泛应用于MOSFET和IGBT等功率开关元件特性评估的一种测试方法。
・双脉冲测试不仅可以评估对象元件的开关特性，也可以评估体二极管和外置快速恢复二极管等的反向恢复特性。
・双脉冲测试对导通时发生反向恢复特性引起损耗的电路的评估非常有效。

通过双脉冲测试评估反向恢复特性

本文我们将根据使用了几种MOSFET的双脉冲测试结果，来探讨MOSFET的反向恢复特性。该评估中的试验电路将使用上一篇文章中给出的基本电路图。另外，相应的确认工作也基于上次内容，因此请结合上一篇文章的内容来阅读本文。

为了评估MOSFET的反向恢复特性，我们使用4种MOSFET实施了双脉冲测试。4种MOSFET均为超级结MOSFET（以下简称“SJ MOSFET”），我们使用快速恢复型和普通型分别进行了比较。

先来看具有快速恢复特性的SJ MOSFET R6030JNZ4（PrestoMOS™）和具有通常特性的SJ MOSFET R6030KNZ4的试验结果。除了反向恢复特性之外，这些SJ MOSFET的电气规格基本相同，在试验中，将Q1和Q2分别替换为不同的SJ MOSFET。

图1为上次给出的工作③的导通时的ID_L波形，图2为导通损耗Eon_L的波形。
从图1可以看出，快速反向恢复型R6030JNZ4（PrestoMOS™）的Q1的反向恢复电流Irr和反向恢复电荷Qrr要比普通型R6030KNZ4小得多。

从图2可以看出，Qrr较大的普通型MOSFET的导通损耗Eon_L要比快速反向恢复型大，可见当Q1的Qrr变大时，开关损耗就会增加。

接下来请看相同条件下快速反向恢复型R6030JNZ4（PrestoMOS™）和另一种快速反向恢复型SJ MOSFET之间的比较结果。图3为与图1同样的ID_L波形比较，图4为与图2同样的Eon_L比较。
如图3所示，与另一种快速反向恢复型SJ MOSFET相比，R6030JNZ4（PrestoMOS™）的Irr和Qrr更小，因此ID_L的峰值较小，如图4所示，其结果是Eon_L较小。

从这些结果可以看出，将MOSFET体二极管特性中的反向恢复电流Irr和反向恢复电荷Qrr控制在较小水平的MOSFET，其导通损耗Eon_L较小。这一点对快速反向恢复型之间进行比较也是同样的结论。所以，在设计过程中，要想降低损耗时，需要通过这样的方法对MOSFET的反向恢复特性进行评估，并选择最适合的MOSFET。

最后，提一个注意事项：在本次研究中，设定的前提是具有快速反向恢复特性的MOSFET是可以降低损耗的，但在某些情况下，具有快速反向恢复特性的MOSFET是无法降低导通损耗的。其原因之一是误启动现象。这是由MOSFET的栅极电容引起的现象。关于误启动，将会在下一篇文章中进行详细说明。

关键要点:
・反向恢复电流Irr和反向恢复电荷Qrr较低的MOSFET，导通损耗EON_L也较小。
・快速反向恢复型MOSFET之间进行比较也得出同样的结论。
・对MOSFET的反向恢复特性进行评估对于降低损耗非常重要。
・请注意，受误启动现象的影响，有时即使MOSFET具有快速恢复特性，也无法降低导通损耗。

误启动的发生机制

上一篇文章中通过标准型且具有快恢复特性的SJ MOSFET的双脉冲测试，介绍了“在桥式电路中，恢复特性可通过使用高速MOSFET来降低损耗，但是在某些情况下，即使使用高速MOSFET也无法降低导通损耗”。本文就其中一个原因即误启动现象进行说明。

什么是误启动现象

误启动是因MOSFET的各栅极电容（CGD,CGS）和RG引起的现象，在串联2个MOSFET的桥式电路中，当位于开关侧的MOSFET导通（Turn-on）时，在原本为OFF状态的续流侧MOSFET发生了不应发生的导通，导致直通电流流过，损耗增大。

误启动的发生机制

本图与在“什么是双脉冲测试?”中用于说明的图是同一幅图，图中给出了双脉冲测试的基本工作。
从工作②转换为工作③时，高边Q1的Drain-Source间电压VDS_H从0V急剧变为Vi。由于此时产生的dVDS_H/dt（单位时间内的电压变化) ，使电流流过CGD_H、CGS_H和RG_H。如果此电流导致CGS_H的电压上升、VGS_H超过MOSFET的栅极阈值，则MOSFET将发生不应发生的导通。我们将该现象称为误启动，发生误启动时，高压侧Q1和低压侧Q2之间会流过直通电流。下图是展示了因体二极管的反向恢复电流和误启动而引发直通电流的示意图。
由于逆变器电路和Totem Pole PFC电路等是串联了2个MOSFET的桥式电路，因此不仅会出现反向恢复损耗，而且还可能因误启动引起的直通电流导致导通损耗增大。
上一篇文章中提到的评估中使用的R6030JNZ4（PrestoMOS™），已证实其导通损耗比其他快恢复型SJ MOSFET要小。这不仅仅是因为其恢复特性出色，更是因为对各栅极电容之比进行了优化，并采用了可抑制误启动的结构。
关键要点:
・桥式电路中的误启动是指由于MOSFET的VDS急剧变化引发VGS的波动，从而导致MOSFET发生意外导通的现象。
・当误启动引发了直通电流时，导通损耗会增加，因此有时候即使恢复特性出色也未必能够获得理想的损耗降低效果。

总结

在“通过双脉冲测试评估MOSFET的反向恢复特性”中，重点关注了由于逆变器电路、Totem Pole型功率因数校正（PFC）电路等是两个MOSFET串联连接的桥式电路，因此存在因上下桥臂的直通电流导致导通损耗增加的现象。

该现象受开关MOSFET和相对臂MOSFET的体二极管（寄生二极管）的反向恢复特性影响很大，因此给出了使用双脉冲测试评估MOSFET体二极管的反向恢复特性的结果。
  
在双脉冲测试中，从两个角度比较并评估了导通损耗。一个是标准SJ MOSFET与PrestoMOS™（具有快速恢复特性的SJ MOSFET）的比较，另一个是与不同制造商生产的SJ MOSFET（以快速恢复特性为特点）的比较。

在此次评估中获得了以下两个结果，并且验证了一个关键要点：要想减少导通损耗，需要评估MOSFET体二极管的反向恢复特性并选择具有出色反向恢复特性的MOSFET，这一点至关重要。

• 1. 在标准SJ MOSFET与具有快速恢复特性的PrestoMOS™的比较中，作为导通损耗主要原因的反向恢复电流Irr和反向恢复电荷QRr在PrestoMOS™中要小得多，有助于降低开关损耗。
  
• 2. 在与不同制造商生产的具有快速恢复特性的SJ MOSFET的比较中，制造商之间的Irr和Qrr存在差异，PrestoMOS™是此次比较的三家公司中表现最出色的，并且开关损耗的降低效果最好。
  

除此以外，还提出了一个注意事项：有时候即使具有快速恢复特性，也可能无法降低导通损耗，抑制导致这种情况的主要原因“误启动”也很重要。误启动是因MOSFET的各栅极电容（CGD,CGS）和RG引起的现象，在桥式电路中，当位于开关侧的MOSFET导通（Turn-on）时，在原本为OFF状态的续流侧MOSFET发生了不应发生的导通，导致直通电流流过，损耗增大。

下图在“误启动的发生机制”一文中使用过，从图中可以看出，当发生误启动时，除了体二极管的反向恢复电流外，还会流过更大的直通电流。
如上面的评估结果2所示，在与来自不同制造商的具有快速恢复特性的SJ MOSFET的比较中，PrestoMOS™的导通损耗最低，这是因为PrestoMOS™不仅具有快速恢复特性，而且在设计时特别优化了各栅极电容的比率，抑制了误导通现象。

因此，除了MOSFET体二极管的反向恢复特性（Irr和Qrr）之外，桥式电路的开关损耗还受到误启动带来的直通电流的影响，因此选择能够抑制这两者的MOSFET是减少开关损耗的关键要点。

来源：techclass.rohm