HID燈鎮(zhèn)流器中UniFET II MOSFET的性能和效率

　　摘要： 先進的單元結(jié)構(gòu)和壽命控制技術(shù)已同時增強了功率MOSFET的導(dǎo)通電阻和反向恢復(fù)性能。 本文介紹一種新開發(fā)的平面MOSFET—UniFETTM II MOSFET—具有顯著提高的體二極管特性，另外還介紹了其性能和效率。 根據(jù)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(fù)時間分別為傳統(tǒng)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(zhèn)流器進行了實驗。結(jié)果證明，兩個UniFET II MOSFET可取代兩個傳統(tǒng)MOSFE和四個附加FRD，并且無MOSFET故障。

　　引言

　　盡管反向恢復(fù)特性差，但在許多開關(guān)應(yīng)用中，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的體二極管作為一種續(xù)流二極管得到廣泛使用。 然而，許多應(yīng)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(jié)(SJ) MOSFET和平面MOSFET。 超級結(jié)MOSFET的導(dǎo)通電阻(RDS(on))相當(dāng)?shù)?，開關(guān)性能非常快，這是因為它擁有電荷平衡結(jié)構(gòu)，且輸入柵極電荷(Q_g)要比平面MOSFET的低得多^[5-7]。 這兩個參數(shù)的乘積(Q_g* R_DS(on))作為器件的品質(zhì)因數(shù)(FOM)。 此外，超級結(jié)MOSFET的體二極管反向恢復(fù)性能要比平面MOSFET [6]的高。 但是，超級結(jié)MOSFET需要更為復(fù)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致難以進行深入壽命控制。 而另一方面，制造平面MOSFET只需采用一個外延層即可，從而很容易進行深入壽命控制。 因此，可大幅提升平面MOSFET的體二極管反向恢復(fù)性能，以防出現(xiàn)MOSFET故障^[8]?！　?/p>

 

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

　　MOSFET的固有體二極管已在許多應(yīng)用中被用作關(guān)鍵元件，而且其特性已得到改進。 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(fù)特性T_rr和I_rr，分別于2008年和2009年開發(fā)。 但是，這兩個MOSFET都有一定的缺點，比如：高導(dǎo)通電阻和漏源極泄漏電流。 因此，其應(yīng)用范圍僅限于冷陰極熒光燈(CCFL)背光單元(BLU)逆變器之類的應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，更快的體二極管性能優(yōu)先于由其高導(dǎo)通電阻特性造成的傳導(dǎo)損耗^{[8，16]}?！　?/p>

 

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

　　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(nèi)HID燈鎮(zhèn)流器中混頻全橋逆變器的效率的實驗結(jié)果。