導語：

“超結”技術憑借其優(yōu)異的性能指標，長期主導著耐壓超過600V的功率MOSFET市場。本文闡述了工程師在應用超結功率器件時需關注的關鍵問題，并提出了一種優(yōu)化解決方案，可顯著提升電源應用的效率、功率密度及可靠性。

超結MOSFET通過從基區(qū)延伸P柱形成漂移區(qū)的"電荷平衡"，從而實現(xiàn)更高摻雜濃度（即更低漂移區(qū)電阻）。但這種擴展結區(qū)會帶來反向恢復電荷過大的弊端。

圖1：超結MOSFET中的P-N結結構

圖2展示的典型半橋電路中，在低邊MOSFET開啟前的死區(qū)時間內，電流會通過高邊MOSFET的體二極管續(xù)流。當?shù)瓦匨OSFET開始導通時，高邊體二極管的反向恢復過程會產生負向電流尖峰，導致低邊器件出現(xiàn)嚴重的導通損耗。同時高邊MOSFET在Tb時段會承受高斜率電壓上升和電壓尖峰，可能引發(fā)器件過應力。

圖2：半橋電路中的體二極管反向恢復現(xiàn)象

最后，如下圖示例所示，當前向電流和電流斜率超出器件的安全工作極限時，體二極管恢復會導致600V SJ 器件故障。

圖3案例顯示，當正向電流和電流變化率超出安全限值時，600V超結器件會因體二極管恢復特性導致失效。

值得注意的是，超結功率器件的體二極管反向恢復特性深刻影響著電源設計中的高壓器件選型。圖4為典型AC/DC電源電路：在PFC級中，由于同步整流FET在目標開關頻率（通常＞50kHz）下反向恢復導致的開關損耗過高，因此采用SiC肖特基二極管而非同步整流FET作為高邊器件。

圖4：典型AC/DC電源電路架構

在DC-DC級中，采用軟開關LLC電路，高壓器件在正常工作模式下不會發(fā)生硬換向。器件的硬換向會導致體二極管反向恢復；因此，在本例中不會出現(xiàn)硬換向。然而，在啟動和短路瞬變等異常工作條件下，LLC電路中可能會發(fā)生硬換向。LLC電路的控制器設計通常需要針對此類瞬變的保護措施。如果未能防止LLC電路中的硬換向，則可能會由于體二極管反向恢復瞬變非常迅速而導致高壓器件故障。

在某些情況下，高壓器件體二極管的反向恢復是不可避免的。例如，在帶有數(shù)字控制器的大功率LLC轉換器中，逐周期硬換向保護功能不可用。在高壓電機驅動應用中，高端和低端開關都需要有源器件（MOSFET/IGBT）。在這些應用中，提高體二極管在反向恢復電荷和可靠性方面的性能是高壓功率器件的關鍵要求。

優(yōu)化解決方案： aMOS? FRD技術

Alpha and Omega Semiconductor（AOS）開發(fā)的aMOS5 FRD MOSFET平臺專門針對低反向恢復電荷和開關魯棒性優(yōu)化。該技術采用電子輻照來控制雙極載流子在反向恢復階段的壽命。電子輻照會產生缺陷作為復合中心，并加速FRD 在正向偏置和反向恢復階段的電子/空穴對復合過程，從而顯著減少 FRD 漂移區(qū)中存儲的過量電荷總量。

對比相同超結結構但采用不同載流子壽命控制技術的Qrr波形，經(jīng)電子輻照處理的器件Qrr值顯著降低。抑制Qrr意味著通過FRD的功率尖峰更小，從而降低熱失效風險。

圖5：電子輻照控制的反向恢復波形

需特別關注的是，MOSFET有源區(qū)/終端過渡區(qū)因面積有限且電流密度高，最易發(fā)生反向恢復失效。aMOS5平臺采用保守的終端設計使過渡區(qū)電場均勻分布，這種優(yōu)化可防止反向恢復階段因功率密度過高導致的局部熱點燒毀。

表1：AOK042A60FD體二極管反向恢復魯棒性測試結果

測試結論

AOS aMOS5 FRD MOSFET通過了體二極管反向恢復安全操作驗證，測試數(shù)據(jù)詳見器件規(guī)格書。圖6展示了AOK042A60FD（600V/42mΩ aMOS5超結MOSFET）與兩款規(guī)格相近競品的對比測試波形（測試條件：VDD=400V，IF=50A，di/dt=1000A/μs）。如表1所示，該器件在200°C高溫下仍保持穩(wěn)定，而競品在更低溫度下即出現(xiàn)失效。

圖6：AOK042A60FD與競品的體二極管反向恢復測試波形對比

值得注意的是，在Tb周期波形中，AOK042A60FD表現(xiàn)出最低的漏極電壓變化率。這一特性不僅有助于器件在嚴苛的反向恢復瞬態(tài)中保持穩(wěn)定，還能有效改善電磁干擾（EMI）性能。測試結果表明，AOS的αMOS5 FRD超結器件在反向恢復瞬態(tài)過程中具有卓越的體二極管魯棒性，這對于LLC諧振轉換器等橋式拓撲應用至關重要——它能確保系統(tǒng)在異常和瞬態(tài)工況下依然保持最高等級的運行可靠性。