HID燈鎮流器中UniFET II MOSFET的性能和效率

　　摘要： 先進(jìn)的單元結構和壽命控制技術(shù)已同時(shí)增強了功率MOSFET的導通電阻和反向恢復性能。 本文介紹一種新開(kāi)發(fā)的平面MOSFET—UniFETTM II MOSFET—具有顯著(zhù)提高的體二極管特性，另外還介紹了其性能和效率。 根據壽命控制的集中程度，UniFET II MOSFET可分為普通FET、FRFET和Ultra FRFET MOSFET，其反向恢復時(shí)間分別為傳統MOSFET的70%、25%和15%左右。為了驗證全新MOSFET的性能和效率，用帶混頻逆變器的150 W HID燈鎮流器進(jìn)行了實(shí)驗。結果證明，兩個(gè)UniFET II MOSFET可取代兩個(gè)傳統MOSFE和四個(gè)附加FRD，并且無(wú)MOSFET故障。

　　引言

　　盡管反向恢復特性差，但在許多開(kāi)關(guān)應用中，功率金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)的體二極管作為一種續流二極管得到廣泛使用。 然而，許多應用最近都報告了功率MOSFET故障 ^[1-4]。 高電壓功率MOSFET一般分為超級結(SJ) MOSFET和平面MOSFET。 超級結MOSFET的導通電阻(RDS(on))相當低，開(kāi)關(guān)性能非?？?，這是因為它擁有電荷平衡結構，且輸入柵極電荷(Q_g)要比平面MOSFET的低得多^[5-7]。 這兩個(gè)參數的乘積(Q_g* R_DS(on))作為器件的品質(zhì)因數(FOM)。 此外，超級結MOSFET的體二極管反向恢復性能要比平面MOSFET [6]的高。 但是，超級結MOSFET需要更為復雜且昂貴的外延工藝，而且其體二極管性能的提升存在局限性，因為多外延層結構導致難以進(jìn)行深入壽命控制。 而另一方面，制造平面MOSFET只需采用一個(gè)外延層即可，從而很容易進(jìn)行深入壽命控制。 因此，可大幅提升平面MOSFET的體二極管反向恢復性能，以防出現MOSFET故障^[8]?！　?/p>

 

　　據報道，在先前的操作^[9-12]中，MOSFET故障是由雙極結型晶體管(BJT)和nMOS的誤導通以及反向恢復模式下體二極管的dv/dt較高所造成的。 這三種類(lèi)型的MOSFET故障機理可以通過(guò)快速體二極管性能得到改善。 在反向恢復模式下，體二極管性能越快，則復位電流越小。 MOSFET故障中位移電流的效應在^[9-10]中已進(jìn)行了充分研究。 通常情況下，MOSFET的反向恢復特性比快速恢復二極管(FRD)要差^{[8，15-17]}。 功率MOSFET的體二極管具有超長(cháng)反向恢復時(shí)間和高反向恢復電荷。

　　MOSFET的固有體二極管已在許多應用中被用作關(guān)鍵元件，而且其特性已得到改進(jìn)。 鉑注入[13]和電子輻照^[14]等壽命控制可增強MOSFET體二極管的性能。 FRFET^® MOSFET^[8]和Ultra FRFETTM MOSFET ^[16]均具有快速反向恢復特性T_rr和I_rr，分別于2008年和2009年開(kāi)發(fā)。 但是，這兩個(gè)MOSFET都有一定的缺點(diǎn)，比如：高導通電阻和漏源極泄漏電流。 因此，其應用范圍僅限于冷陰極熒光燈(CCFL)背光單元(BLU)逆變器之類(lèi)的應用，在這類(lèi)應用中，更快的體二極管性能優(yōu)先于由其高導通電阻特性造成的傳導損耗^[8，16]?！　?/p>

 

　　最近，在開(kāi)發(fā)UniFET^TM II MOSFET(一種高度優(yōu)化的功率MOSFET)的過(guò)程中大大改進(jìn)了dv/dt強度、體二極管性能和輸出電容的存儲能量(C_OSS)，同時(shí)還將負效應(比如增大的導通電阻)降至最低^[17]。 尤其是，UniFET II MOSFET的dv/dt強度和反向恢復性能得到充分提高，而且它們還不會(huì )引起器件故障。

　　本文介紹UniFET II MOSFET強大的體二極管特性，而且還提供能夠證明其用于150 W室內HID燈鎮流器中混頻全橋逆變器的效率的實(shí)驗結果?！　?/p>