HID灯镇流器中UniFET II MOSFET的性能和效率

输入电压(Vdc)提供能量，然后灯电流(ilamp)会流经MOSFET (Q1)、等效电感(Leq)、负载(Lamp//C)和IGBT (Q4)。 在模式1期间，等效电感的电压为：
         
　　模式2 {(1-D)T}： 续流模式

在一个IGBT (Q₄)保持在导通状态且MOSFET (Q₂)保持在关闭状态的条件下，MOSFET (Q₁)关闭，然后i_lamp会继续流经MOSFET(Q₂)的体二极管、等效电感(L_eq)、负载(Lamp//C)和IGBT (Q₄)。 在模式2期间，等效电感的电压为：
       
　　根据伏秒平衡定律，灯电压可由下式推导得出：
       

　　灯电压的电压纹波小得足以被忽略。 因此，灯的平均电压可由下式获得：  
       
　　因此，灯的平均电压可通过调节高频引线中MOSFET的占空比进行控制。由于MOSFET体二极管的反向恢复特性较差，因此如果逆变器的高频引线(如图7所示)在连续导通模式(CCM)下工作，则必然会出现直通电流。 由于这些极差的反向恢复特性，混频全桥逆变器的高频引线(如图7所示)中需要附加FRD。当逆变器在连续导通模式(CCM)下工作且出现直通电流时，最终会对MOSFET造成损坏。 然而，在灯发光后，逆变器必然要在连续导通模式(CCM)下工作几分钟。 因此，需要4个附加FRD，以防在传统解决方案中出现MOSFET故障。

实验结果

为了验证UniFET II MOSFET的有效性，用带混频全桥逆变器的150 W室内HID灯镇流器进行了实验。 镇流器的逆变器电路与图7所示相同，而且与表2中所应用的一样。 低频引线由2个IGBT组成，而且其工作频率范围为60至120 Hz。 同时，高频引线由2个MOSFET和4个FRD(2个阻断FRD和2个续流FRD)组成，而且其工作频率范围为30至110 kHz。 在传统解决方案中，正向电流流经MOSFET和阻断FRD，而反向电流仅流经续流FRD。

但是，如果仅使用MOSFET，正向和续流电流都会流经MOSFET的沟道或体二极管。 如果体二极管的反向恢复特性差，而且逆变器在连续导通模式(CCM)下工作，则MOSFET最终必然会被过高的反向恢复电流损坏。

如表1所示，UniFET II Ultra FRFET MOSFET (FDPF8N50NZU)的RDS(on)为1.2Ω，而传统MOSFET(FQPF9N50C)的RDS(on)为0.85Ω。但是，UniFET II MOSFET的Trr和Irr特性更优于传统MOSFET，而且比FRD也要好。因此，UniFET II Ultra FRFET MOSFET允许去除混频全桥逆变器中的4个附加FRD，即使是在连续导通模式(CCM) 下工作。

图9显示的是瞬态和稳态下的灯电压和电流，将HID灯描述为具有负电阻系数 – 随着灯电压的增大，灯电流会减小。点火后，灯阻抗极低， 因此电压为最小值。 随着镇流器的运行进入稳态，灯电流会减小，而灯电压会增大。

图10显示的是低频引线的开关(IGBT)电流。 在瞬态期间，开关电流在连续导通模式(CCM)下流动;而在稳态期间，开关电流在临界导通模式(CRM)下流动。　　

 

高频引线的开关电流如图11所示。 由于开关电流在高频引线中断断续续地流动，因此在瞬态期间导通瞬间观测到直通大电流。 当工作模式从瞬态转变为稳态时，直通电流会变小但仍然存在，即使在完全饱和的稳态下。　　

 

如表1所示，UniFET II MOSFET系列具有较好的反向恢复性能。 使用普通MOSFET和FRD的传统解决方案与UniFET II Ultra FRFET MOSFET之间的直通电流比较结果如图12所示。 在使用2个普通MOSFET和4个FRD的传统解决方案中，测得的反向恢复电流峰值为11.44 A。　　

 

结论

在本文中，介绍了将全新平面MOSFET(UniFET II MOSFET)用于HID灯镇流器的混频全桥逆变器来实现更高的可靠性。 UniFET II MOSFET具有出色的dv/dt强度、反向恢复特性(比如：恢复时间短、反向恢复电流低)以及较低的电荷。 因此，在注重MOSFET体二极管性能的开关逆变器应用中，它可确保更高的可靠性。 为了验证新MOSFET的有效性，用带混频全桥逆变器的150 W室内HID灯镇流器进行了实验。 实验结果表明，UniFET II MOSFET可以提高逆变器系统的可靠性，同时还可以通过去除其他二极管降低制造成本。

参考文献

[1] Choi W-S, Young S-M, Kim D-W.Analysis of MOSFET failure modes in LLC resonant converter[C]. INTELEC '09.(2009) 1-6
　　[2] Busatto G, Fioretto O, Patti A. Non-destructive testing of power MOSFET's failures during reverse recovery of drain-source diode[C]. PESC '96., (1996) 593-599,
　　[3] Fiel A, Wu T. MOSFET failure modes in the zero-voltage-switched full-bridge switching mode power supply applications[C]. APEC '01.(2001)1247-1252
　　[4] Blackburn D.L.Power MOSFET failure revisited[C]. PESC '88.( 1998) 681-688,
　　[5] Burra R.K., Shenai K. CoolMOS integral diode: a simple analytical reverse recovery model 2003[C]. PESC '03. (2003) 834 – 838
　　[6] Chimento F, Musumeci S, Raciti A, Melito M, Sorrentino G.Super-Junction MOSFET and SiC Diode Application for the Efficiency Improvement in a Boost PFC Converter [C]. IECON '06 (2006) 2067 - 2072
　　[7] Sakakibara J, Noda Y, Shibata T, Nogami S, Yamaoka T, Yamaguchi H. 600V-class Super Junction MOSFET with High Aspect Ratio P/N Columns Structure[C]. ISPSD '08, (2008) 299-302
　　[8] Yeon J.E, Kim C.K, Jung M.S, Kim W.T, Cho K.M, Kim H.J. Effectiveness of FRFET® MOSFETs for the CCFL inverters in LCD TVs[C]. SPEEDAM '08.(2008) 1351-1355,
　　[9] Singh P. Power MOSFET failure mechanisms, INTELEC '04[C]. (2004) 499-502
　　[10] Jung J, Li X.Analysis of the MOSFET Failure In a Junction-Isolated Power Integrated Circuit[C]. ISPSD '07.(2007) 249-252
　　[11] Busatto G, Persiano G.V., Iannuzzo F. Experimental and numerical investigation on MOSFET's failure during reverse recovery of its internal diode[R]. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 46, (1999) 1268-1273
　　[12] Cester A, Paccagnella A,GhidiniG, Deleonibus S, Guegan G.Collapse of MOSFET drain current after soft breakdown[R]. IEEE Transactions on Power electronics, Vol 4, (2004) 63-72
　　[13] Catania M. F, Frisina F, Tavolo N, Ferla G, Coffa S, Campisano S U. Optimization of the trade-off between switching speed of the internal diode and on-resistance in gold and platinum implanted power metal-oxide-semi -conductor devices[R]. IEEE Trans. Electron Devices, vol. 39,(1992) 2745–2749
　　[14] B. J. Baliga, J. P. Walden.Improving the reverse recovery of power MOSFET integral diode by electron irradiation[R]. Solid State Electron.vol. 38,(1993) 1133–1141, 1993
　　[15] Aigner H., Dierberger K, Grafham D. Improving the full-bridge phase-shift ZVT converter for failure-free operation under extreme conditions in welding and similar applications[R]. Industry Applications Conference '98.(1998) 1341-1348
　　[16] D.S Kim, J.E Yeon, K.M Cho, H.J Kim.Effectiveness of Ultra FRFET™ for the HV-BLU system in LCD TVs[C]. INTELEC '09. (2009) 1-6
　　[17] Kang WS, Yeon JE, Kim HJ, Ahn TY.Reliability improvement of FB inverter in HID lamp ballast using UniFET™ II MOSFET family[C]. INTELEC ’11.(2011)