瞭解MOSFET的反向恢復對於不同應用的影響

表1，用於比較的器件。

FET二極體反向恢復行為通常採用雙脈衝測試方法進行評估。由於這種測試方法的目的是提取T_rr、Q_rr 和I_RRM參數，應用的di/dt 相對較低(100 A/μs)。低di/dt除了歷史原因之外，還因為如果di/dt提高，寄生電感(L di/dt)會妨礙目標參數的測量，使分解目標參數變得更加困難。由於當前電力電子技術的主要目標是提高效率，許多設計縮短了開關轉換的時間，因此FET在超過幾千A/μs的電流斜率下運行的情況並不多見。儘管堅固的溝槽FET可能承受這種電流斜率(如下所述)，但老式平面器件不能承受這種電流斜率。

表1列出的用於測試的部件都採用TO220封裝。部件A1~A5的額定電壓為100V，晶片尺寸在15.3~16.9 mm²範圍內，而部件B1~B4的額定電壓為55V~60V，晶片尺寸在5.3~6.2 mm²範圍內。我們對額定電壓相同的器件分別進行了比較。表中第4欄顯示了每個器件的版本資訊。請注意，GenA和GenB為平面器件，而GenC至GenE為溝槽器件。第5和第6欄顯示了新版本器件與舊版本器件相比，R_DS(on)較低，I_D較高。

電路布局

所使用的雙脈衝測試儀如圖1所示。該電路布局旨在使大電流回路中的寄生電感最小。這種電路設計使測量的總回路電感達到37nH。這包括2個D²-Pak FET、10 mΩ同軸分流器、PCB布局和DC匯流排自身(不包括外部電感器的完整電流回路)的引線寄生電感。通過導通2個FET和觀察電流斜率，可對該值進行驗證。在100V匯流排電壓下，同軸分流器在55ns時間內的線性電流斜坡測量值為150A，即斜率為2.73A/ns。因此，通過V=Ldi/dt可計算得出L=37 nH。該值也與採用測量和評估參數開發的測試儀的LT Spice模型相符，這表明，當總回路電感為37 nH時，電流斜率與我們的測量結果一致。

閘極驅動

快速、低阻抗閘極驅動對於獲得準確的雙脈衝測量結果至關重要，因為它使測量結果不受緩慢開關FET的影響。所採用的閘極驅動器採用分立式設計，10~90%的上升下降時間不到15 ns，可驅動本研究中所使用的最大柵電容。導通和關斷R_G均設為2Ω(不包括任何內部FET R_G)。雙脈衝測試的開關速度受益於開關FET導通邊緣階段(反向恢復開始階段)有效C_ISS較低且沒有Miller效應。這是因為被測器件(DUT，本研究中指上述FET)在開關導通期間處於通態，因此開關FET的V_DS幾乎沒變化，因此，幾乎沒有延緩閘極電壓上升時間(漏電壓在閘極完全增強後很長一段時間內不會下降)的Miller電容平臺。並且，由於在整個導通階段，V_DS接近額定BV_(DSS) 值的80%，非線性結電容處於最低值，因此，如果漏電流沒有有效箝位元匯流排，將使C_ISS更低。

測試程式

雙脈衝試驗在25°C 的溫度下進行。DUT和下方(導通的)FET是相同類型的器件，通常用於實際半橋應用電路。匯流排電壓設置為器件資料表額定V_BR(DSS)值的80%。閘極驅動電壓設置為15V，第1脈衝的長度經過調節，在反向恢復脈衝被應用時，能夠達到期望的測試電流I_F。最大二極體電流被限定為<=I_SM。當開關FET為脈衝2導通時，通過示波器捕獲形成的DUT反向恢復電流和電壓。脈衝2的持續時間被限定為500 ns，以便最大限度減少在發生故障時對試驗電路的損壞(即使DUT發生故障，開關FET仍然能夠被安全關斷)。並且，在我們的試驗中，如果DUT發生故障，將在100 ns峰值IRR時間內完成，這與Blackburn的結果相符。

結果

圖2a顯示了器件A1的典型反向恢復波形。在波形開始部分，電流在DUT體二極體(紅色跡線)內流動10μs，DUT(綠色跡線)的V_DS 約為0V。開關FET在100 ns時導通，5A正向電流立即變為負斜率，而V_DS顯示通過FET封裝的L di/dt 電壓。由於DUT和開關的綜合C_OSS，邊緣V_DS的上升時間緩慢。一旦體二極體恢復，V_DS立即上升至雪崩電壓~110V，然後轉向降至0，耗散儲存在寄生電感中的能量。

圖2a顯示了儘管正向電流非常小，老式平面器件具有強大的反向恢復性能。這是平面MOSFET的共同特點。當應用的正向電流僅為17A時，如果I_RRM達到67A，該器件將發生故障，如圖2b所示。

圖2b中的故障具有典型的寄生NPN雙極電晶體2次擊穿的特徵。這發生在當電流密度超過閾值(與溫度有關)發生持續雪崩時。其機制是由於電流(I_RRM)升高，雙極器件從雪崩倍增轉換為雪崩注入，因此發生2次擊穿，其特點是V_DS從V_BR(DSS)額定值急速降至該值的~1/2[11]，這可以從圖2b的V_DS波形中清楚地看到。

表1中每個類型的設備都採用這種方法進行了測試—逐漸增加試驗電流，直到器件發生故障，或者達到I_SM(最大額定源電流)。圖3對資料進行了總結。

圖3的X軸顯示了通過DUT體二極體的應用正向電流(在第2脈衝之前)。資料為不同晶片區域的電流密度(A/mm²)。Y軸顯示了所形成的反向恢復電流的幅度(同樣表達為電流密度)。橙色“爆炸”圖示表示器件發生故障的任何資料點。

圖中的紅色分界線將資料分為2組—平面器件全部位於該線之上，溝槽器件都位於該線之下。因此，很顯然，對於給定的正向電流密度而言，平面FET與溝槽FET相比，單位面積的反向恢復電流更高。因此，在器件最大額定電流範圍內，能夠驅動平面器件達到反向恢復電流密度的電流，可能也足夠引起器件故障。並且，請注意，兩個不同尺寸的GenA器件(A1和B1)，在相同反向電流密度(分別為3.98和4.03 A/mm²)下發生故障。同時，兩個不同尺寸的GenB器件(A2和B2)在相同電流密度(分別為5.54 和 5.26 A/mm²)下發生故障。

與平面器件相反，由於峰值反向恢復電流密度的緣故，溝槽器件被驅動時很難出現任何故障。即使據稱溝槽器件具有比平面器件更低的抗UIS雪崩能力—這表明它們還可能具有同樣較低的寄生電晶體2次擊穿故障閾值電流密度，體二極體的性能非常好，能夠達到的峰值反向電流密度約為2.5 A/mm²。這對於任何測試的溝槽FET而言，不足以導致任何故障。

總之，與平面器件相比，溝槽FET具有更加出色的反向恢復性能，可以考慮用於要求具有大電流斜率同時關注緊湊電路布局和適當降額方法的快速開關應用。

(本文作者為國際整流器公司戰略行銷和應用工程主管)