HID灯镇流器中UniFET II MOSFET的性能和效率

　　摘要： 先进的单元结构和寿命控制技术已同时增强了功率MOSFET的导通电阻和反向恢复性能。 本文介绍一种新开发的平面MOSFET—UniFETTM II MOSFET—具有显著提高的体二极管特性，另外还介绍了其性能和效率。 根据寿命控制的集中程度，UniFET II MOSFET可分为普通FET、FRFET和Ultra FRFET MOSFET，其反向恢复时间分别为传统MOSFET的70%、25%和15%左右。为了验证全新MOSFET的性能和效率，用带混频逆变器的150 W HID灯镇流器进行了实验。结果证明，两个UniFET II MOSFET可取代两个传统MOSFE和四个附加FRD，并且无MOSFET故障。

引言

尽管反向恢复特性差，但在许多开关应用中，功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的体二极管作为一种续流二极管得到广泛使用。 然而，许多应用最近都报告了功率MOSFET故障 ^[1-4]。 高电压功率MOSFET一般分为超级结(SJ) MOSFET和平面MOSFET。 超级结MOSFET的导通电阻(RDS(on))相当低，开关性能非常快，这是因为它拥有电荷平衡结构，且输入栅极电荷(Q_g)要比平面MOSFET的低得多^[5-7]。 这两个参数的乘积(Q_g* R_DS(on))作为器件的品质因数(FOM)。 此外，超级结MOSFET的体二极管反向恢复性能要比平面MOSFET [6]的高。 但是，超级结MOSFET需要更为复杂且昂贵的外延工艺，而且其体二极管性能的提升存在局限性，因为多外延层结构导致难以进行深入寿命控制。 而另一方面，制造平面MOSFET只需采用一个外延层即可，从而很容易进行深入寿命控制。 因此，可大幅提升平面MOSFET的体二极管反向恢复性能，以防出现MOSFET故障^[8]。　　

 

据报道，在先前的操作^[9-12]中，MOSFET故障是由双极结型晶体管(BJT)和nMOS的误导通以及反向恢复模式下体二极管的dv/dt较高所造成的。 这三种类型的MOSFET故障机理可以通过快速体二极管性能得到改善。 在反向恢复模式下，体二极管性能越快，则复位电流越小。 MOSFET故障中位移电流的效应在^[9-10]中已进行了充分研究。 通常情况下，MOSFET的反向恢复特性比快速恢复二极管(FRD)要差^[8，15-17]。 功率MOSFET的体二极管具有超长反向恢复时间和高反向恢复电荷。

MOSFET的固有体二极管已在许多应用中被用作关键元件，而且其特性已得到改进。 铂注入[13]和电子辐照^[14]等寿命控制可增强MOSFET体二极管的性能。 FRFET^® MOSFET^[8]和Ultra FRFETTM MOSFET ^[16]均具有快速反向恢复特性T_rr和I_rr，分别于2008年和2009年开发。 但是，这两个MOSFET都有一定的缺点，比如：高导通电阻和漏源极泄漏电流。 因此，其应用范围仅限于冷阴极荧光灯(CCFL)背光单元(BLU)逆变器之类的应用，在这类应用中，更快的体二极管性能优先于由其高导通电阻特性造成的传导损耗^[8，16]。　　

 

最近，在开发UniFET^TM II MOSFET(一种高度优化的功率MOSFET)的过程中大大改进了dv/dt强度、体二极管性能和输出电容的存储能量(C_OSS)，同时还将负效应(比如增大的导通电阻)降至最低^[17]。 尤其是，UniFET II MOSFET的dv/dt强度和反向恢复性能得到充分提高，而且它们还不会引起器件故障。

本文介绍UniFET II MOSFET强大的体二极管特性，而且还提供能够证明其用于150 W室内HID灯镇流器中混频全桥逆变器的效率的实验结果。　　

 

UniFET II MOSFET

功率MOSFET的结构及其故障机理

功率MOSFET因其栅极驱动功能简单、开关速度快及其他特性，成为最常用的功率器件。 通常情况下，功率MOSFET采用纵向结构，称为DMOS(双扩散MOS)。 DMOS功率MOSFET的纵向结构及其等效MOSFET电路如图1所示。 该纵向结构因漏极和源极位于硅晶圆的两对面而适用于高电压器件，通过扩大外延层(漏极漂移区)可提高高电压阻隔能力，同时还可增大沟道导通电阻。

在功率MOSFET中，要注意三种类型的异常故障模式，如下所述^[9-10]。

寄生BJT误导通

从根本上说，寄生双极结型晶体管(BJT)的基极和发射极对源极金属来说很普遍。 因此，不应激活寄生BJT。 然而，事实上，基极与源极金属之间存在极小的体电阻(Rb)，如图1所示。 如果漏极体电容(Cdb)上出现高强度的dv/dt，则巨大的位移电流便会流经Rb，而且Rb上的电压将会变得足够大(大于-0.65 V)，直至触发寄生BJT。 由于负温度系数(NTC)，一旦寄生BJT导通，便会形成过热点，而且还会集中更多电流，这最终会导致器件发生故障。　　

 

nMOS沟道无意导通

dv/dt过高也会导致nMOS沟道意外导通。 如果MOSFET的漏极与源极之间出现的dv/dt过高，则巨大的位移电流(C_gd × dv/dt)将会流经由栅极至漏极电容(C_gd)、外部栅极电阻(R_g)和并行栅极至源极电容(C_gs)形成的路径，如图1(b)所示。 如果C_gs相对小于C_gd，则更多的电流将流经R_g，因此R_g上的压降将超过MOSFET的阈值电压(_VGS(th))。 其结果是，MOSFET将会导通，而自热现象最终会损坏器件。