MOSFET体二极管反向恢复过程分析

MOSFET体二极管反向恢复过程Aug.142013AOSConfidential内容PN结反向恢复过程MOSFET体二极管的形成MOSFET体二极管的反向恢复过程•di/dt阶段•dv/dt阶段MOSFET体二极管反向恢复的仿真和实测结果•不同寄生电感•不同CGS的影响•不同IF的影响结论10/27/2015AOSConfidential2无偏置10/27/2015AOSConfidential3扩散运动和漂移运动达到平衡，PN结形成一势垒区•扩散：P区空穴向N去扩散，N区电子向P区扩散•漂移：由于势垒区的存在，N区扩散至P区的部分电子被拉回，P区扩散至N区的部分空穴被拉回＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－P区N区正向偏置10/27/2015AOSConfidential4外加正向电压削弱了PN结的内电场，漂移运动被削弱，扩散运动被增强,扩散和漂移的动态平衡被破坏。P区的空穴（多子）流向N区，N区的电子(多子）流向P区。进入P区的电子和进入N区的空穴分别成为该区的少子。因此,在P区和N区的少子比无外加电压时多。这些多出来的少子称为非平衡少子,如图(b)所示。非平衡少子依靠积累时浓度差在N区和P区进行扩散。在扩散过程中，同该区中多子相遇而复合，距离PN结边界越远,复合就越多，这样就形成了如图(c)所示的非平衡少子浓度分布规律。正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－(a)势垒区图(b)非平衡少子分部图(c)非平衡少子浓度分布图P区N区+-反向恢复10/27/2015AOSConfidential5施加反向电压时，P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失，但它们将通过两个途径逐渐减少：•在反向电场作用下，P区电子被拉回N区，N区空穴被拉回P区，形成反向漂移电流IR；•与多数载流子复合。在这些存储电荷突然消失之前，PN结仍处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，PN结的电阻很小，与RL相比可以忽略，所以此时反向电流IR=(VR+VD)/RL。VD表示PN结两端的正向压降，一般VR＞＞VD,即IR≈VR/RL。在这段期间，IR基本上保持不变，主要由VR和RL所决定。经过时间Ts后，P区和N区所存储的电荷已显著减少，势垒区逐渐变宽，反向电流IR逐渐减小到正常反向饱和电流的数值，经过时间Tf，二极管转为截止。(b)非平衡少子分部图＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－P区N区-+(a)势垒区图(c)非平衡少子被拉回反向恢复特性MOSFET体二极管Tb/Ta一般为0.2~0.4硬恢复特性的体二极管更易产生振铃10/27/2015AOSConfidential6MOSFET寄生二极管的结构MOSFET结构•在N-epi外延层上扩散形成P基区，然后通过刻蚀技术形成深度超过P基区的沟槽，在沟槽壁上热氧化生成栅氧化层，再用多晶硅填充沟槽，利用自对准工艺形成N+源区，背面的N+substrate为漏区，在栅极加上一定正电压后，沟槽壁侧的P基区反型，形成垂直沟道。P基区和N-epi形成了一个PN结，即MOSFET的寄生体二极管。10/27/2015AOSConfidential7DrainSourceGateN-epiN+SubstratePbodyN+HoleElectron反向恢复-di/dt阶段T0~T2：di/dt阶段•T0~T1，PN结处于正向偏置，即势垒区仍然很窄，PN结的电阻很小，二极管的正向电流以一固定的di/dt逐渐减小，di/dt的大小由外电路决定；•T1~T2，二极管的存储电荷在反向电压的作用下开始扫出，但PN结仍未形成耗尽层，反向电流由扫出的过量电荷维持。因此二极管不能承受反向电压，电流仍以di/dt速率下降；10/27/2015AOSConfidential8VDCT0T1T3T4TimeVPHASE,IFIRRVPHASET2反向恢复-dv/dt阶段T2~T4：dv/dt阶段•T2~T3阶段，PN结处等离子浓度衰减为0，即在PN结处形成耗尽层，PN结开始承受反向电压。由于二极管反向电压的上升，导致了反向恢复电流的di/dt逐渐减小；在T3时刻，二极管电压达到VDC，di/dt降到0，扫出电流达到最大值，即IRR；•T3~T4阶段，反向电流由从等离子区扩散到耗尽层的载流子维持，由于等离子的持续耗散，在空间电荷区的边缘过量电荷浓度的梯度逐渐减小，导致T3后的反向电流将减小。由于负di/dt的存在，二极管上的反向电压将会出现超调，当电流降为0时，反向电压将会达到最大值。T4之后，回路进入了RLC自由振荡阶段。10/27/2015AOSConfidential9VDCT0T1T3T4TimeVPHASE,IFIRRVPHASET2＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－＋－＋＋＋＋－－－－T0~T1,正向偏置T1~T4,反向偏置P区N区dv/dt限制2015/10/27AOSConfidential10反向恢复dv/dt速度过快有可能触发寄生BJT导通•高dv/dt会导致Pbody区域的少数载流子的电流密度过高，从而在BJT的基极建立起足够的电压使BJT导通，这也是为什么在datasheet中会有体二极管反向恢复dv/dt限制的原因pRDrainSourceGatecRNepiN+SubstratePbodyN+反向恢复仿真电路U2-被测器件U1-开关管，为电感提供电流以及为U2提供反向电压L1-线路的寄生电感L2-负载电感，用来提供正向电流IF不同寄生电感仿真10/27/2015AOSConfidential12电感值越小，di/dt越大，反向恢复电流IRR也越大。L1=10nHL1=60nHL1=30nH不同CGS电容实际测试结果10/27/2015AOSConfidential13控制U1的栅极电容C1来改变U1的开通速度同样也可以改变电流变化率di/dt•U1的开关速度改变了VDS(U1)的变化率。•随着Cgs的减小，U1的开通速度变快，di/dt变大，反向恢复电流IRR也会变大。•U1的开关速度对di/dt的影响是有限的，因为VDS(U1)对di/dt的影响仅仅是在U1的开通期间（即di/dt变化的初期），当U1完全开通后，di/dt仅由回路的寄生电感L1决定。-10.00-5.000.005.0010.0015.0020.0025.0030.000.0100.0200.0300.0400.0IF(A)Time(ns)I_Cgs=1nFI_Cgs=4.7nFI_Cgs=10nFI_Cgs=33nF不同IF电流实际测试结果10/27/2015AOSConfidential14通过改变U1的PWM脉冲的占空比来改变电感中的电流IF•当IF大于18A时，其di/dt基本不变，反向恢复峰值电流IRR也基本保持不变，这是因为，在TU1(ON)时刻后，U1已完全导通，VDS(U1)不再变化，所以di/dt不变。•当IF小于12A时，会发现其di/dt变小，反向恢复峰值电流IRR也明显变小，这是因为在TU1(ON)时刻后，U1尚未完全导通，VDS(U1)仍然较高，所以di/dt较小。-10.00-5.000.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.000.00100.00200.00300.00IF(A)Time(nS)I_If=5AI_If=12AI_If=18AI_If=25AI_If=32AIFTU1(ON)结论通过较好的布线减小线路的寄生电感，从而减小在反向恢复过程中的振铃；通过控制合适的开关速度来控制反向恢复时的di/dt，减小反向恢复电流的峰值IRR，从而减小振铃；如果经过优化仍不能解决系统的振铃问题，则应通过选择具有较软恢复系数的MOSFET来进行设计。10/27/2015AOSConfidential15