快速二極管MOSFET在三相逆變器拓?fù)渲械膽?yīng)用

高效率和節(jié)能是家電應(yīng)用中首要的問題。三相無刷直流電機因其效率高和尺寸小的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用在家電設(shè)備中以及很多其他應(yīng)用中。此外，由于采用了電子換向器代替機械換向裝置，三相無刷直流電機被認(rèn)為可靠性更高。

標(biāo)準(zhǔn)的三相功率級(power stage)被用來驅(qū)動一個三相無刷直流電機，如圖1所示。功率級產(chǎn)生一個電場，為了使電機很好地工作，這個電場必須保持與轉(zhuǎn)子磁場之間的角度接近90°。六步序列控制產(chǎn)生6個定子磁場向量，這些向量必須在一個指定的轉(zhuǎn)子位置下改變?；魻栃?yīng)傳感器掃描轉(zhuǎn)子的位置。為了向轉(zhuǎn)子提供6個步進電流，功率級利用6個可以按不同的特定序列切換的功率MOSFET。下面解釋一個常用的切換模式，可提供6個步進電流。

圖1：三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

MOSFET Q1、Q3和Q5高頻(HF)切換，Q2、Q4和Q6低頻(LF)切換。當(dāng)一個低頻MOSFET處于開狀態(tài)，而且一個高頻MOSFET 處于切換狀態(tài)時，就會產(chǎn)生一個功率級。

步驟1) 功率級同時給兩個相位供電，而對第三個相位未供電。假設(shè)供電相位為L1、L2，L3未供電。在這種情況下，MOSFET Q1和Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流流經(jīng)Q1、L1、L2和Q4。

步驟2）MOSFET Q1關(guān)斷。因為電感不能突然中斷電流，它會產(chǎn)生額外電壓，直到體二極管D2被直接偏置，并允許續(xù)流電流流過。續(xù)流電流的路徑為D2、L1、L2和Q4。

步驟3）Q1打開，體二極管D2突然反偏置。Q1上總的電流為供電電流(如步驟1)與二極管D2上的恢復(fù)電流之和。

圖2所示MOSFET器件的截面圖，顯示出其中的體-漏二極管。在步驟2，電流流入到體-漏二極管D2(見圖1)，該二極管被正向偏置，少數(shù)載流子注入到二極管的區(qū)和P區(qū)。

圖2：MOSFET器件的截面圖，電流流經(jīng)其內(nèi)部的體二極管

當(dāng)MOSFET Q1導(dǎo)通時，二極管D2被反向偏置， N區(qū)的少數(shù)載流子進入P+體區(qū)，反之亦然。這種快速轉(zhuǎn)移導(dǎo)致大量的電流流經(jīng)二極管，從N-epi到P+區(qū)，即從漏極到源極。電感L1對于流經(jīng)Q2和Q1的尖峰電流表現(xiàn)出高阻抗。Q1表現(xiàn)出額外的電流尖峰，增加了在導(dǎo)通期間的開關(guān)損耗。圖4a描述了MOSFET的導(dǎo)通過程。

為改善在這些特殊應(yīng)用中體二極管的性能，研發(fā)人員開發(fā)出具有快速體二極管恢復(fù)特性MOSFET。當(dāng)二極管導(dǎo)通后被反向偏置，反向恢復(fù)峰值電流Irrm較小，完成恢復(fù)所需要的時間更短(見圖3)。

圖3：具有快速體二極管恢復(fù)特性MOSFET，反向恢復(fù)峰值電流較小，恢復(fù)時間縮短

我們對比測試了標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET和快恢復(fù)MOSFET。ST推出的STD5NK52ZD(SuperFREDmesh系列)放在Q2(LF)中，如圖4b所示。在Q1 MOSFET(HF)的導(dǎo)通工作期間，開關(guān)損耗降低了65%。采用STD5NK52ZD時效率和熱性能獲得很大提升(在不采用散熱器的自由流動空氣環(huán)境下，殼溫從60°C降低到50°C)。在這種拓?fù)渲校琈OSFET內(nèi)部的體二極管用作續(xù)流二極管，采用具有快速體二極管恢復(fù)特性MOSFET更為合適。

圖4：a) Q2采用標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的開狀態(tài)操作； b) Q2采用ST公司的STD5NK52ZD MOSFET開狀態(tài)操作

SuperFREDmesh技術(shù)彌補了現(xiàn)有的FDmesh技術(shù)，具有降低導(dǎo)通電阻，齊納柵保護以及非常高的dv/dt性能，并采用了快速體-漏恢復(fù)二極管。N溝道520V、1.22歐姆、4.4A STD5NK52ZD可提供多種封裝，包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封裝。該器件為工程師設(shè)計開關(guān)應(yīng)用提供了更大的靈活性。其他優(yōu)勢包括非常高的dv/dt，經(jīng)過100%雪崩測試，具有非常低的本征電容、良好的可重復(fù)制造性，以及改良的ESD性能。此外，與其他可選模塊解決方案相比，使用分立解決方案還能在PCB上靈活定位器件，從而實現(xiàn)空間的優(yōu)化，并獲得有效的熱管理，因而這是一種具有成本效益的解決方案。

作者：Stefano Finocchiaro
Antonino Gaito
應(yīng)用工程師
意法半導(dǎo)體功率MOSFET部門