隨著功率密度不斷提高，半橋（例如HID半橋或LLC）和全橋（例如ZVS全橋）等軟開關拓撲成為理想的解決方案。由于改善了功率器件上di/dt和dv/dt的動態性能，采用這些拓撲可降低系統的開關損耗，提高可靠性。這種情況主要出現在輕載條件下。事實證明，CoolMOS這樣的超結器件可以克服這個問題，由于其內部優化了反向恢復過程電荷載流子去除功能，并且消除內部寄生NPN雙極晶體管的栓鎖問題。通過增強注入載流子的結合率可大幅降低反向恢復電荷，而且增強結合率可降低關斷過程中的反向恢復峰值電流，并使反向恢復電荷大幅降低至約為原來的十分之一。對于優化體二極管（圖1）性能在硬開關條件下應用而言，反向恢復波形的形狀和印刷電路板的設計尤其重要。新一代CoolMOS 650V CFD2改進了體二極管反向恢復性能，而且給擊穿電壓留有更大的安全裕量。

　　圖1 CoolMOS高壓功率MOSFET及其內部體二極管的橫截面示意圖。

　　反向恢復行為

　　新一代CoolMOS 650V CFD的反向恢復特性如圖2所示。與標準器件相比，新一代CoolMOS 650V CFD器件具備極低的反向恢復電荷Qrr、極短的反向恢復時間trr和極小的反向恢復電流最大值Irrm。

　　圖2是在di/dt=100A/μs、25°C和Vr=400V等條件下測量的反向恢復波形。相對于標準器件，新一代CFD器件具備極低的Qrr、trr和Irrm。

　　與此同時，盡管Qrr、trr和Irrm大幅降低，但這種新器件的波形仍然顯示出軟特性。這種特性十分適用于硬換流，旨在避免電壓過沖和確保器件可靠運行。

　　換流耐用性

　　圖3新一代CoolMOS 650V CFD2器件的反向恢復波形。即使在測試儀達到最大功率條件下，這些器件也不會受損。

　　圖3的反向恢復測量結果（在di/dt “ 2000A/μs的條件下）顯示了CoolMOS（tm） 650V CFD2器件的換流耐用性。

　　在這些條件下，無任何器件受損。相對于其他超結器件波動劇烈的波形，這些波形仍然顯示出了軟特性。顯而易見，這對于設計人員而言是一大優勢。設計人員可通過優化其應用，獲得最大性能，同時不必擔心器件在體二極管進行硬換流時發生損毀。

　　Qrr 和 trr 與溫度關系

　　圖4 310mΩ 650V CFD器件的Qrr 和Trr 與溫度關系。

　　對于設計人員而言，了解Qrr和trr與溫度關系至關重要。Qrr和trr值會隨著溫度的升高而增大，這是因為器件中的載流子在高溫下不斷增加。圖4顯示了310mΩ 650V CFD2器件的Qrr和trr值與溫度的這種關系。從圖形可看出Qrr和 trr與溫度成線性關系。

　　Qrr 和Trr與通態電阻關系

　　另一個需要注意的重要方面是Qrr和trr與器件的通態電阻關系，如圖5和圖6所示。圖5和圖6將新一代基于C6技術的650V CFD2器件與英飛凌前代基于C3技術的600V CFD進行對比。

　　圖5 Qrr 與通態電阻關系，測量條件為25°C 。將80 mΩ、310 mΩ和 660mΩ650V CFD2器件與前代基于C3技術的600V CFD對比。

　　顯然，全新的650V CFD2器件相對于前代技術，在動態特性（Qrr、trr）和最低通態電阻之間達到更好的平衡。

　　圖6 trr與通態電阻關系，測量條件為25°C。將80mΩ、310mΩ和660mΩ 650V CFD2器件與前代基于C3技術的600V CFD對比。

　　在HID橋上的性能評估

　　我們還將這些新器件的性能與HID半橋上采用的SPD07N60C3進行了對比。通過采用新一代CoolMOS CFD2器件，可無需使用D2、D3、D4和D5二極管，從而降低了系統成本（圖7）。

　　圖7 典型的HID半橋電路。利用全新的CoolMOS（tm） 650V CFD2器件代替T2 和 T3晶體管，無需采用D2 至D5的二極管。

　　圖8為T2 和T3晶體管為SPD07N60C3以及D2、D3、D4和D5二極管使用時，獲得的波形。采用這種設置時，我們可獲得91.81%的效率。

　　圖8 將SPD07N60C3作為開關和D2至 D5二極管使用時，在T3晶體管關斷階段的電路波形。系統效率達到91.81%。

　　通過去除與晶體管串聯的二極管，可消除額外的正向壓降。當開關損耗因存儲在MOSFET內的反向恢復電荷而增大時，該解決方案需要MOSFET的內置體二極管具備更出色的性能。具體情況如圖9所示。除了開關損耗增大，另一個缺點是MOSFET最終會因高反向恢復電流而受損。

　　圖9 SPD07N60C3（不帶D2至D5二極管）在T3晶體管關斷階段的波形。系統效率為89.72%。

　　采用新一代IPD65R660CFD器件可獲得卓越的解決方案。由于這種MOSFET的內置體二極管的性能出眾，可不采用D2至D5二極管，從而大幅提高系統效率。具體如圖10所示。

　　圖10 IPD65R660CFD（無需D2至D5二極管）在T3晶體管關斷階段的波形。系統效率為92.81%。

　　新一代IPD65R660CFD器件的內置體二極管的優化結構與極低的反向恢復電荷特性的有機結合，還有助于確保器件的可靠運行。

　　結論

　　英飛凌新一代CoolMOS CFD2器件具備最低的通態電阻和高達650V的阻斷電壓。這種的器件還具備極低的反向恢復電荷和結實耐用的內置體二極管。數據表規范中將提供全新的Qrr和trr最大值。我們還評估了這種新器件在典型HID半橋電路應用中的性能：省去4個二極管，并獲得出色效率。由于內置體二極管具備650V的擊穿電壓和結實的結構，因此這種新器件擁有更多安全特性，可防止在MOSFET硬換流過程中被損壞。

　　作者： M.-A. Kutschak， W. Jantscher

　　英飛凌（奧地利）科技股份公司

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