HID灯镇流器中UniFET II MOSFET的性能和效率

体二极管反向恢复故障

每一个功率MOSFET在p体与n外延层的结点处都有一个固有体二极管，它可以有效地用作续流二极管。 但是，与FRD相比，体二极管的反向恢复特性非常差。 因此，如果在高电流流经体二极管期间出现反向恢复模式，则必然会流通过高的直通电流，并最终对器件造成损坏。

UniFET II MOSFET技术

最近，飞兆开发了UniFET II MOSFET，该技术可通过优化有效单元结构提高外延层条件(厚度和电阻率)下的击穿电压。 因此，在额定击穿电压相同的条件下，新MOSFET技术的品质因数要优于传统MOSFET技术的品质因数，其Q_g*R_DS(on)约为传统平面MOSFET的一半。 寿命控制流程也得到了应用，该流程可提高体二极管的dv/dt强度和反向恢复性能。

寿命控制是一个在硅能带中的导电带和价电带之间产生深度陷波电平的流程。 能源陷波电平越深，则电力载波(空穴和电子)的重新组合和重新生成也就越快。 通过寿命控制，体二极管的某些特性会显著提升，比如T_rr、Q_rr和I_rr;而有些特性则会下降，比如体二极管(V_F)的正向压降和R_DS(on)^[8，14-15]。

得到显著提高的寿命控制流程会使UniFET II MOSFET拥有卓越的dv/dt特性和体二极管性能。 图2显示的是根据寿命控制集中程度的R_DS(on)与体二极管反向恢复时间(T_rr)之间的权衡关系。 从图2中可明显看出，寿命控制越深入，T_rr特性(即体二极管反向恢复时间)也就越短; 然而，过度的寿命控制会在逐步提升T_rr的同时导致R_DS(on)的不必要增大。 根据寿命控制的集中程度，UniFET II MOSFET可分为普通FET、FRFET和Ultra FRFET^TM MOSFET，其T_rr分别为传统MOSFET的70%、25%和15%左右。

图3对UniFET II MOSFET系列、传统MOSFET和FRD的反向恢复性能结果进行了比较。 该图清楚地表明，UniFET II MOSFET系列的反向恢复特性要优于传统MOSFET，甚至比FRD还要好 – 就UniFET II Ultra FRFET MOSFET来说，在I_pk=2A的情况下，T_rr为35.2 nsec，且i_rr 为2.3 A;但在同等条件下，传统MOSFET的T_rr为228.2 nsec，且i_rr 为10.5 A，而FRD的T_rr为36.2 nsec，且i_rr 为3.0 A。 更为详细的测试结果如表1所示。

UniFET II MOSFET的寿命控制流程同样可提高强健体二极管dv/dt的强度，从而实现更高的系统可靠性。 UniFET II MOSFET与传统MOSFET之间的dv/dt强度比较波形如图4所示。 传统MOSFET在6.87 V/nsec的dv/dt下损坏，而普通UniFET II MOSFET在11.65 V/nsec的dv/dt下仍然可以继续使用，这种水平在实践中极为少见。

通过优化有效单元结构，UniFET II MOSFET的寄生电容也会显著降低，从而有利于高频开关操作。 图5分别显示的是传统平面MOSFET FQPF9N50C和UniFET II MOSFET FDPF8N50NZ的电容特性。 在RDS(on)相同的条件下，UniFET II MOSFET的电容仅仅约为传统平面MOSFET的一半。

HID灯镇流器中UniFET II MOSFET的效率

带混频全桥逆变器的HID(高强度气体放电)灯镇流器是一个很好的范例，证明了UniFET II MOSFET在系统中的效率。

图6显示的是HID灯的功率控制模式。 HID灯镇流器的工作模式大体分为2种状态：瞬态和稳态。 在瞬态模式期间，灯阻抗会变得极低，灯电压因此也会变低，从而将灯电流限制在I_limit以下(图6)。 随着灯阻抗稳步上升，灯电压也会增大，而且工作模式将会从瞬态转变为 稳态。 在灯峰值电流低于I_limit之后，灯将会通过恒定功率控制模式驱动。 镇流器的运行必须符合上述时序。　　

 

图7显示的是HID灯镇流器的混频全桥逆变器。 在该图中，Q_a是点火开关，它可以生成使HID灯发光的脉冲高电压。 混频逆变器包含由MOSFET(Q₁和Q₂)和FRD(D₁~D₄)组成的高频引线以及由绝缘栅极双极晶体管(IGBT)(Q₃和Q₄)组成的低频引线。

由于灯在不发光情况下不应放电，因此需要由Q_a和变压器(T)组成的点火电路。 电源接通后，Q_a开始转换，然后极高的电压(超过3 kV)会通过T施加到灯的两极。

一旦灯通过高电压而开始发光，Q_a的转换便会停止，而且灯也通过混频全桥逆变器产生的低频方波交流电压发光。 在逆变器的输出级中，T的泄漏电感、电感(L)和电容(C)由低通滤波器(LPF)组成。

混频全桥逆变器的工作模式和主要波形如图8所示。 虽然逆变器的工作模式分为四种，但仅有两种模式交替重复。 因此，仅需考虑半周期的两种模式。 就半周期而言，低频引线中的一个IGBT保持导通状态，另一个IGBT保持关闭状态;而高频引线中的一个MOSFET在高频率条件下转换，另一个MOSFET保持关闭状态。　　

 

模式1 (DT)： 供电模式

在一个IGBT (Q4)保持导通状态且MOSFET(Q2)保持关闭状态的条件下，MOSFET (Q1)导通，