AOS新一代电源设计：基于FRD MOSFET的高效、高可靠设计解决方案

导语：

“超结”技术凭借其优异的性能指标，长期主导着耐压超过600V的功率MOSFET市场。本文阐述了工程师在应用超结功率器件时需关注的关键问题，并提出了一种优化解决方案，可显著提升电源应用的效率、功率密度及可靠性。

超结MOSFET通过从基区延伸P柱形成漂移区的"电荷平衡"，从而实现更高掺杂浓度（即更低漂移区电阻）。但这种扩展结区会带来反向恢复电荷过大的弊端。

图1：超结MOSFET中的P-N结结构

图2展示的典型半桥电路中，在低边MOSFET开启前的死区时间内，电流会通过高边MOSFET的体二极管续流。当低边MOSFET开始导通时，高边体二极管的反向恢复过程会产生负向电流尖峰，导致低边器件出现严重的导通损耗。同时高边MOSFET在Tb时段会承受高斜率电压上升和电压尖峰，可能引发器件过应力。

图2：半桥电路中的体二极管反向恢复现象

最后，如下图示例所示，当前向电流和电流斜率超出器件的安全工作极限时，体二极管恢复会导致600V SJ 器件故障。

图3案例显示，当正向电流和电流变化率超出安全限值时，600V超结器件会因体二极管恢复特性导致失效。

值得注意的是，超结功率器件的体二极管反向恢复特性深刻影响着电源设计中的高压器件选型。图4为典型AC/DC电源电路：在PFC级中，由于同步整流FET在目标开关频率（通常＞50kHz）下反向恢复导致的开关损耗过高，因此采用SiC肖特基二极管而非同步整流FET作为高边器件。

图4：典型AC/DC电源电路架构

在DC-DC级中，采用软开关LLC电路，高压器件在正常工作模式下不会发生硬换向。器件的硬换向会导致体二极管反向恢复；因此，在本例中不会出现硬换向。然而，在启动和短路瞬变等异常工作条件下，LLC电路中可能会发生硬换向。LLC电路的控制器设计通常需要针对此类瞬变的保护措施。如果未能防止LLC电路中的硬换向，则可能会由于体二极管反向恢复瞬变非常迅速而导致高压器件故障。

在某些情况下，高压器件体二极管的反向恢复是不可避免的。例如，在带有数字控制器的大功率LLC转换器中，逐周期硬换向保护功能不可用。在高压电机驱动应用中，高端和低端开关都需要有源器件（MOSFET/IGBT）。在这些应用中，提高体二极管在反向恢复电荷和可靠性方面的性能是高压功率器件的关键要求。

优化解决方案： aMOS™ FRD技术

Alpha and Omega Semiconductor（AOS）开发的aMOS5 FRD MOSFET平台专门针对低反向恢复电荷和开关鲁棒性优化。该技术采用电子辐照来控制双极载流子在反向恢复阶段的寿命。电子辐照会产生缺陷作为复合中心，并加速FRD 在正向偏置和反向恢复阶段的电子/空穴对复合过程，从而显著减少 FRD 漂移区中存储的过量电荷总量。

对比相同超结结构但采用不同载流子寿命控制技术的Qrr波形，经电子辐照处理的器件Qrr值显著降低。抑制Qrr意味着通过FRD的功率尖峰更小，从而降低热失效风险。

图5：电子辐照控制的反向恢复波形

需特别关注的是，MOSFET有源区/终端过渡区因面积有限且电流密度高，最易发生反向恢复失效。aMOS5平台采用保守的终端设计使过渡区电场均匀分布，这种优化可防止反向恢复阶段因功率密度过高导致的局部热点烧毁。

表1：AOK042A60FD体二极管反向恢复鲁棒性测试结果

测试结论

AOS aMOS5 FRD MOSFET通过了体二极管反向恢复安全操作验证，测试数据详见器件规格书。图6展示了AOK042A60FD（600V/42mΩ aMOS5超结MOSFET）与两款规格相近竞品的对比测试波形（测试条件：VDD=400V，IF=50A，di/dt=1000A/μs）。如表1所示，该器件在200°C高温下仍保持稳定，而竞品在更低温度下即出现失效。

图6：AOK042A60FD与竞品的体二极管反向恢复测试波形对比

值得注意的是，在Tb周期波形中，AOK042A60FD表现出最低的漏极电压变化率。这一特性不仅有助于器件在严苛的反向恢复瞬态中保持稳定，还能有效改善电磁干扰（EMI）性能。测试结果表明，AOS的αMOS5 FRD超结器件在反向恢复瞬态过程中具有卓越的体二极管鲁棒性，这对于LLC谐振转换器等桥式拓扑应用至关重要——它能确保系统在异常和瞬态工况下依然保持最高等级的运行可靠性。