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采用ST F7 LV MOSFET技术的单片肖特基二极管:提高应用性能

2017年03月01日 17:05 次阅读

摘要 –当一个功率MOSFET管被用在电桥拓扑或用作电源二次侧同步整流管时,体漏二极管的特性以及品质因数将变得非常重要。当需要Qrr 数值很低的软反向恢复时,集成肖特基二极管的新60V ST “F7”功率MOSFET管确保能效和换向性能更加出色。

I.前言

在同步整流和电桥结构中,RDSon 和 Qg 两个参数并不是对功率MOSFET管的唯一要求,实际上,本征体漏二极管的动态特性对MOSFET整体性能影响很大。体漏二极管的正向压降(VF,diode)影响开关管在续流期间(开关管处于关断状态,电流从源极经本征二极管流至漏极)的功率损耗 ; 反向恢复电荷 (Qrr) 不仅影响开关管在反向恢复过程的损耗,还影响开关性能。MOSFET 管的尖峰电压随着Qrr升高而升高。因此,VFD 和Qrr较低的二极管,例如,肖特基二极管,有助于提高开关管的总体性能,在电桥拓扑或用作同步整流管应用中,当开关频率很高且二极管长时间导通时,提升性能的效果特别明显。本文将在开关电源和电机控制环境中评估内置肖特基二极管的新60 V ST MOSFET管的性能,并对比标准器件,重点论述新产品的优势。

II.MOSFET本征体漏二极管和肖特基二极管特性

图1所示是一个N沟道功率MOSFET管的典型符号。本征体漏二极管由p-body和n--drift两个区组成,如下图所示,体漏二极管与MOSFET管的导电沟道并联。

图 1 – 功率 MOSFET管的符号

一旦选择了功率MOSFET管,因为硅特性和产品设计的原因,其内部集成的体二极管的特性也就固定下来。本征体漏二极管与场效应管导电沟道并联,所以,分析该本征体漏二极管的动静态特性,特别是在二极管导通条件下,具有重要意义。因此,在反向和正向偏压过程中,需要考虑阻断电压和正向电流的最大值,同时,研究在功率开关管导通后的关断期间的二极管反向恢复过程也很重要(图 2)。当二极管正向偏压变成反向偏压时,电流不会立即降至零值,因为消除通态期间贮存的电荷需要时间。因此,当t = t0时,二极管开始换向操作,电流开始下降,下降斜率(-a)恒定,外部电感和电源电压是决定斜率的唯一因素。在t1之前,二极管被施加正向偏压,从t1到t2,二极管压降上升,达到电源电压;在 t=t2时,反向电流达到最大值。间隔(t3-t0)被称为反向恢复时间(trr),而负电流与零线之间的区域是反向恢复电荷(Qrr)。tB 期间的电流斜率主要与产品设计和硅特性有关。

图 2 – 二极管反向恢复过程

软度因子() 是快软恢复分类标准,这个参数在很多应用领域都十分重要。软度因子越大,反向恢复软度越高。实际上,如果tB区非常短,电流快速变化与电路本征电感就会产生不想看到的电压过冲和振铃效应。尖峰电压可能会高于功率开关管的击穿电压,此外,EMI性能也会恶化。如图2所示,在二极管反向恢复期间,大电流和高反向电压会同时产生耗散功率, 致使系统能效降低。此外,在电桥拓扑中,下桥臂开关管的最大反向恢复电流加到上桥臂开关电流中,致使耗散功率上升至最大额定值。在体二极管充当续流器件的电桥拓扑、降压转换器或同步整流等开关应用中,反向恢复电荷 (Qrr) 减少有助于系统能效最大化,抑制尖峰电压,降低关断时的开关噪声。在MOSFET结构内集成一个肖特基二极管是一个效果不错的解决方案。集成肖特基二极管的方法是在金属薄膜层与半导体区之间制作一个电触点。电流主要是与多数载流子有关,因为贮存电荷少,肖特基二极管正反偏压切换比其它硅二极管快。此外,肖特基正向压降(≈0.3 V)比标准硅二极管低,这意味着肖特基的通态功率损耗小。

当只有优化Qrr 和VF,diode才能提高系统总体能效时,集成肖特基二极管的新ST 60V MOSFET管是一个正确选择。图3列出了标准MOSFET管和集成肖特基的功率开关管的主要电参数(两款产品的BVDSS 和芯片尺寸相同)。

图 3 – MOSFET管的电参数

III. 单片肖特基二极管在电源管理环境中的产品优势

在一个同步降压转换器(图4)内,集成肖特基二极管的功率MOSFET管可以用作下桥臂开关(S2),以提高转换器的总体性能。

图 4 – 单相同步整流降压转换器拓扑

事实上,下桥臂体二极管导通损耗(Pdiode,cond)和反向恢复损耗(PQrr)与二极管正向压降 (VF,diode)及其反向恢复电荷(Qrr)密切相关:

(1)

(2)

如公式(1)和(2)所示,导通损耗随着开关频率、转换器输入电压和输出电流升高而变大。当两个场效应晶体管都是关断状态,电流经过下桥臂体二极管时被称为死时。死时效应严重影响二极管导通损耗:当死时较长时,降低体二极管正向压降有助于导通损耗最小化,提高能效。图5所示是60W、48V - 12V、250 kHz同步整流降压转换器的能效。

图5 – 同步整流降压转换器的能效

现在,我们看一下隔离功率转换器环境,当输出功率和死时数值都很大时,理想的二次侧同步整流器不仅具有尽可能小的 RDSon导通电阻,以降低导通损耗,同时还应优化体二极管特性(Qrr 和 VF,diode),以降低二极管损耗(图(1)和(2)),以最大限度降低关断尖峰电压。本文在一个500W数字电源内对60V标准功率开关管和内置肖特基的功率开关管进行了比较。数字电源由两个功率级组成:功率因数校正器和内置同步整流管的LLC谐振电路。最大输出电流是42 A,满负载开关频率是80 kHz,死时1µs。图6是能效曲线比较。

图6 – 同步整流降压转换器的能效

在两个拓扑内,60 V内置肖特基二极管的器件在整个电流范围内能效表现更好,从而提高了系统总体性能。

IV.在电桥拓扑中改进开关特性

在电桥拓扑内,反向恢复过程从下桥臂开关管(图7中的Q2)续流结束时开始,到上桥臂开关管(图7中的Q1)开始导通时终止。最终的恢复电流加到上桥臂电流内 (如第2页所述)。连同上桥臂开关管上的额外电流,下桥臂反向恢复过程与Vds ≈ 0 V 到 Vdc 换向操作,可能会在下桥臂开关管栅源电压上产生杂散跳变电压,因为下桥臂 Ciss (输入电容)是通过Crss (Miller电容)完成充电过程。

图7 – 全桥转换器原理图

结果,在Q2栅极上感应的电压可能会触发开关,致使系统稳健性和能效恶化。电桥下桥臂开关管应该有软换向功能,在漏源极之间无危险的尖峰电压和高频振铃效应。下桥臂开关管改用内置肖特基的功率MOSFET管,即可取得所需的开关特性。事实上,其较小的反向恢复电荷(Qrr)直接影响电压过冲值,因为Qrr 值越高,过冲电压越高。如果 Vds 过冲和振铃效应参数值较低,下桥臂开关管栅极杂散跳变电压将会降低,从而将击穿风险降到最低。此外,因为开关噪声降低,软恢复还能提高EMI总体性能。图8所示是标准MOSFET和内置肖特基的MOSFET上桥臂导通波形;不难发现,集成肖特基二极管的MOSFET下桥臂杂散跳变电压下降明显。

图 8 – 标准 FET上桥臂导通 (左)和内置肖特基的FET上桥臂导通波形(右)

V. 结论

为很多应用(工业电机和开关电源的同步整流、逆变器、电机驱动)选择适合的MOSFET管时,不仅要考虑 RDSon 和 Qg,还要分析本征体漏二极管的动静态特性。当需要软反向恢复和低 Qrr 时,集成肖特基二极管的60V ST “F7”功率MOSFET管确保功率开关的能效和换向性能更加出色。此外,在实际应用中,当续流时间或死时持续时间长时,肖特基的VF,diode 数值可让应用取得更高能效。

VI.参考文献

[1]:“Fundamental of Power Semiconductor Devices”, B.J.Baliga - 2008, Springer Science

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发表于 2018-03-10 09:38 619次阅读
空前绝后的“IO口扫键”法 电子设计必备良方

三个实例为你展示对二极管压降变化进行补偿

图1显示了在齐纳二极管电路中串联一个二极管,曲线绘制了齐纳二极管的不同电压对应的温度系数。当稳压二极...

发表于 2018-03-10 09:04 636次阅读
三个实例为你展示对二极管压降变化进行补偿

P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

MOSFET多数是载流子器件, N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动。 P沟道在导电期间使用被称...

发表于 2018-03-09 14:28 905次阅读
P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

红外二极管发射电路图大全(声光报警/TPS604...

本文主要介绍了红外二极管发射电路图大全(声光报警/TPS604/无线耳机红外发射电路详解)。无线耳机...

发表于 2018-03-09 11:13 799次阅读
红外二极管发射电路图大全(声光报警/TPS604...

USB OTG Vbus电源框图及应用方案

通用串行总线即USB已经流行许久; 起初USB设备便具有主设备和从设备之分:传输的数据来自主设备如电...

发表于 2018-03-09 09:21 2267次阅读
USB OTG Vbus电源框图及应用方案

设计一款由12V铅酸电池,直接供电的12V汽车音...

汽车系统需要承受高温差、极端输入瞬变和其它多种干扰的影响。汽车中几乎所有的电子产品都需经过严格的测试...

发表于 2018-03-09 06:35 2157次阅读
设计一款由12V铅酸电池,直接供电的12V汽车音...

ss34二极管中文资料及参数

SS34为贴片肖特基二极管,常用在小电流的(模型)电调上用,用于电路瞬间整流。本文介绍了SS34基本...

发表于 2018-03-07 09:47 441次阅读
ss34二极管中文资料及参数

依靠驱动错误产生原理,对驱动等效电路进行分析

DRV8711是一款有微步功能的步进电机控制器,芯片内部集成了微步分度器,通过配置最高可以支持1/2...

发表于 2018-03-07 09:03 1951次阅读
依靠驱动错误产生原理,对驱动等效电路进行分析

为什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的锗做?

CPU就是在一张硅片上,刻几百万个晶体二极管。但是在很早之前,晶体管一直是用锗做的。

发表于 2018-03-06 17:25 843次阅读
为什么 CPU 只用硅做,而不用能耗更低的锗做?

新型量子隧穿二极管,可吸收红外辐射发电

据麦姆斯咨询报道,沙特阿拉伯的研究人员发明了一种发电二极管,它利用超速量子隧穿效应捕获外部环境中的红...

发表于 2018-03-06 16:51 493次阅读
新型量子隧穿二极管,可吸收红外辐射发电

iPhoneX芯片级拆解评测:先进的PCB工艺与...

欧洲PCB制造商AT&S(总部位于奥地利莱奥本)是对高集成度iPhone X的重要贡献者。虽然Tec...

发表于 2018-03-06 06:00 1071次阅读
iPhoneX芯片级拆解评测:先进的PCB工艺与...

原物料价格飙涨殃及LED市场

原物料价格飙涨,且全球半导体大厂整并风,让二极管自去年第3季末开始供不应求,台湾地区二极管强茂、虹扬...

发表于 2018-03-05 16:17 209次阅读
原物料价格飙涨殃及LED市场

1n4007二极管反向电阻是多大

1N4007 是封装形式为 DO-41 的塑料封装型通用硅材料整流二极管。广泛应用于各种交流变直流的...

发表于 2018-03-04 13:54 351次阅读
1n4007二极管反向电阻是多大

光敏二极管的主要技术参数介绍

光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结,和普通二极管相比,在结构上不...

发表于 2018-03-04 13:48 245次阅读
光敏二极管的主要技术参数介绍

光敏二极管的伏安特性详解

伏安特性曲线图常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U,以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。...

发表于 2018-03-04 11:52 343次阅读
光敏二极管的伏安特性详解

1n4007是什么二极管?1n4007可以用什么...

1N4007是低频整流二极管,额定电流1A ,耐压700V 。1N4007 是封装形式为 DO-41...

发表于 2018-03-04 11:43 429次阅读
1n4007是什么二极管?1n4007可以用什么...

二极管IN4148和IN4007的应用区别

1N4148 是开关二极管,耐压100V,电流150mA,反向恢复速度快。 1N4007 是普通整...

发表于 2018-03-04 11:27 269次阅读
二极管IN4148和IN4007的应用区别

光敏二极管可以发光吗_光敏二极管与发光二极管有什...

光敏二极管,就是我们通常所说的光电二极管,它是一种能够将光根据人们所要使用的方式,转换成电流或者电压...

发表于 2018-03-04 11:18 205次阅读
光敏二极管可以发光吗_光敏二极管与发光二极管有什...

1n4148是什么二极管?1n4148可以用什么...

1N4148是一种小型的高速开关二极管,开关比较迅速,广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离,通...

发表于 2018-03-04 11:13 351次阅读
1n4148是什么二极管?1n4148可以用什么...

光敏二极管好坏如何检测及应用电路

光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结...

发表于 2018-03-04 11:10 162次阅读
光敏二极管好坏如何检测及应用电路

光敏二极管属于哪种光电效应

光敏二极管,又叫光电二极管是一种能够将光根据使用方式,转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一...

发表于 2018-03-04 10:58 99次阅读
光敏二极管属于哪种光电效应

1n5408二极管参数及作用

1N5408是低频整流二极管。只能用在1000Hz以下的低频电路中做整流用。用在高频开关电源上肯定是...

发表于 2018-03-04 10:31 414次阅读
1n5408二极管参数及作用

1n5408和1n4007的区别_1N4007能...

1N5408,采用DO-201AD封装方式。是二极管的分类。1N4007 是封装形式为 DO-41 ...

发表于 2018-03-04 10:16 209次阅读
1n5408和1n4007的区别_1N4007能...

1n4007分正负极吗?1n4007正负极判断方...

1N4007 是封装形式为 DO-41 的塑料封装型通用硅材料整流二极管。广泛应用于各种交流变直流的...

发表于 2018-03-04 09:24 380次阅读
1n4007分正负极吗?1n4007正负极判断方...

意法半导体的新STM32让物联网设备快速连接云服...

意法半导体的新STM32探索套件简化移动网至云端连接,并提供免费试用的第三方服务,让物联网设备能够通...

发表于 2018-03-02 16:44 357次阅读
意法半导体的新STM32让物联网设备快速连接云服...

提高电动工具设计的性能,不可忽视电源管理

不同的损耗导致顶侧和底侧MOSFET的加热不同。在系统设计中使用分立MOSFET时,可以尝试这些不同...

发表于 2018-03-02 06:52 2097次阅读
提高电动工具设计的性能,不可忽视电源管理

典型光敏二极管电路图大全(八款典型光敏二极管电路...

本文主要介绍了典型光敏二极管电路图大全(八款典型光敏二极管电路设计原理图详解)。光敏二极管也叫做光电...

发表于 2018-03-01 13:53 696次阅读
典型光敏二极管电路图大全(八款典型光敏二极管电路...

晶闸管和二极管的区别

晶闸管是晶体闸流管的简称,又可称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;晶闸管是PNPN四层半导体结构,...

发表于 2018-03-01 09:21 275次阅读
晶闸管和二极管的区别

二极管桥式整流电路图大全(八款二极管桥式整流电路...

本文主要介绍了二极管桥式整流电路图大全(八款二极管桥式整流电路设计原理图详解)。单相整流桥是一款可将...

发表于 2018-03-01 09:20 930次阅读
二极管桥式整流电路图大全(八款二极管桥式整流电路...

电容二极管升压电路图大全(六款电容二极管升压电路...

本文主要介绍了电容二极管升压电路图大全(六款电容二极管升压电路设计原理图详解)。电子式倍压、升压电路...

发表于 2018-03-01 08:56 669次阅读
电容二极管升压电路图大全(六款电容二极管升压电路...

变容二极管基本特性与参数

变容二极管结电容的大小与反向电压的大小有关,反向电压越 高,结容量越小;反向电压越低,结容量越大。结...

发表于 2018-02-23 09:17 216次阅读
变容二极管基本特性与参数

MOSFET选型经验分享:经典案例教你10步法

似乎选取功率MOSFET的耐压对于很多工程师来说是最容易的一件事情,因为设计的电子系统输入电压是相对...

发表于 2018-02-10 04:44 3696次阅读
MOSFET选型经验分享:经典案例教你10步法

MOSFET芯片缺货潮涨势分析与应对措施

据市场分析,MOSFET芯片缺货的趋势将持续蔓延,也就是说MOSFET涨价模式即将开启。据悉芯片调价...

发表于 2018-02-06 14:33 310次阅读
MOSFET芯片缺货潮涨势分析与应对措施

环境光传感器的原理、特性、选择因素以及应用解析

环境光线传感器目前被广泛用于许多LCD显示应用,从消费电子到汽车应用,通过自动调节显示器亮度,它们能...

发表于 2018-02-03 10:40 1023次阅读
环境光传感器的原理、特性、选择因素以及应用解析

意法半导体推出经行业认证的基于STM32微控制器...

针对全球越来越多的电子产品公司计划在新产品中采用USB Type-C和电力传输(PD,Power D...

发表于 2018-02-01 01:35 1129次阅读
意法半导体推出经行业认证的基于STM32微控制器...

意法半导体发布首款低能耗蓝牙Bluetooth ...

系统芯片满足增长最快的低能耗蓝牙新兴市场的需求,包括零售店导航、穿戴设备、互联网家庭、汽车、工业和医...

发表于 2018-02-01 01:34 196次阅读
意法半导体发布首款低能耗蓝牙Bluetooth ...