在高壓領域（超過600V擊穿電壓），“超結”技術憑藉其卓越的品質因數主導了功率MOSFET市場。本文由Alpha & Omega Semiconductor（AOS）撰寫，概述了工程師在設計基於超結的功率器件時需考慮的問題，並提供了一個優化方案，旨在提升電源應用中的效率、功率密度與可靠性。
首要考慮因素之一是P型柱從基區延伸，旨在漂移區形成“電荷平衡”，從而實現更高摻雜濃度，即相應區域的電阻降低。然而，這種擴展的結區也會帶來反向恢復電荷過大的弊端，如圖下所示：
超結MOSFET中的P-N結構 ▲
此外，下圖展示了一個典型的半橋配置，在死區時間內，電流通過高端MOSFET的體二極體續流，直至低端MOSFET導通。當低端MOSFET開始導通時，會發生高端MOSFET體二極體的反向恢復，導致低端MOSFET因高端器件的反向恢復電荷而遭遇負向電流尖峰，引起顯著的導通損耗增加。同時，高端MOSFET在Tb時段會經歷快速的電壓上升率和電壓尖峰，可能對器件造成過應力。
半橋電路中體二極體的反向恢復 ▲
從下圖例證中，600V超結器件的失效正是由於正向電流及電流變化率超出安全操作極限時的體二極體恢復過程所引發。
體二極體反向恢復導致的器件故障 ▲
值得注意的是，基於超結的功率器件中體二極體的反向恢復問題，已深刻影響了電源設計中高壓器件的選擇。下圖展示了一個典型的AC/DC電源電路結構。在PFC階段，考慮到同步整流器FET在目標開關頻率（通常高於50kHz）下因反向恢復造成的開關損耗過高，故採用SiC肖特基二極體代替作為高端元件。
在DC-DC轉換階段，採用軟開關LLC電路，其中在正常工作模式下不會發生高壓器件的硬換相。器件硬換相會導致體二極體反向恢復，但在LLC電路中這一現象並不常見。然而，在啟動和短路瞬態等異常工作條件下，LLC電路中仍可能發生硬換相，控制器設計中通常需要對此類瞬態加以保護。若未能防止LLC電路中的硬換相，則可能導致高壓器件因體二極體迅速的反向恢復瞬態而失效。
在某些情況下，無法避免高壓器件體二極體的反向恢復，例如，在配備數字控制器的大功率LLC轉換器中，不具備周期性硬換相保護功能。在高壓電機驅動應用中，高端和低端均需使用MOSFET/IGBT等有源器件，因此，針對反向恢復電荷和可靠性的改進成為這些應用中高壓電力器件的關鍵需求。
aMOS5™ FRD 技術
優化解決方案
Alpha and Omega Semiconductor (AOS) 研發的aMOS5 FRD MOSFET平台專門針對低反向恢復電荷和開關穩健性進行了優化。此技術採用了電子輻照手段來控制反向恢復階段雙極載流子的壽命，通過引入缺陷作為複合中心，加速FRD正嚮導通及反向恢復階段電子-空穴對的複合過程，大幅減少了FRD漂移區中儲存的過剩電荷總量。
比較具有同樣超結結構但在載流子壽命控制上不同的Qrr波形，經過ER 處理的器件 Qrr 值顯著降低。Qrr 值的降低意味著通過 FRD 的功率峰值水平會降低，從而抑制了熱失效的風險。
ER控制的反向恢復波形 ▲
值得注意的是，MOSFET活性區/終端過渡區域在反向恢復過程中最為脆弱，因其在有限面積內承載高電流密度。aMOS5平台的一大優點是採用了保守的終端設計，使電場在該過渡區域均勻分布，這一優化防止了反向恢復tb階段因功率密度過高而導致的局部熱點燒毀。
aMOS5™ FRD 技術
測試結果和結論
通過AOS aMOS5 FRD MOSFET的測試驗證了體二極體反向恢復的安全工作條件。測試結果體現在器件數據表中。圖6展示了AOS的AOK042A60FD 600V 42mOhm aMOS5超結MOSFET及兩款規格相近的競爭產品的測試波形。測試在50A正向電流和1000 A/us變化率下，於三個不同溫度點進行。如下表所示，AOK042A60FD在200°C下通過了測試，而競爭對手的產品即使在較低溫度下也未通過測試。
AOK042A60FD的體二極體反向恢復穩健性測試結果 ▲
值得指出的是，AOK042A60FD在Tb時段的漏電壓變化率最低，這有助於器件承受嚴苛的反向恢復瞬態，同時提升器件的EMI性能。測試結果表明，AOS aMOS5 FRD SJ 器件在反向恢復瞬態中提供了高效的體二極體穩健性，這在 LLC 轉換器等橋式應用中對於確保異常和瞬態條件下的最高系統可靠性至關重要。
波形測試：
註：在兩個競爭產品及AOK042A60FD aMOS5 FRD MOSFET上進行的體二極體反向恢複測試（VDD = 400V, IF = 50A, di/dt = 1000A/us）
Q&A:
Q1：MOSFET體二極體的強壯性是否看Qrr的大小?
A1：Qrr大小和反向恢復強壯性之間沒有必然的對應關係。AOS高壓super junction產品實現了低Qrr的同時，也擁有業界領先的反向恢復時體二極體的穩健性。
Q2：高壓MOS本身的dv/dt，常溫下和高溫下的參數有何不同？
A2：常溫和高溫的規格會有不同，一般高溫會低於常溫的。
Q3：在功率MOSFET管應用中，主要考慮哪些參數？
A3：功率MOSFET管主要參數包括：耐壓BVDSS、RDS(on)、VGS(th)、Crss、Ciss，高壓應用還要考慮Coss。半橋和全橋電路、同步BUCK變換器下管以及隔離變換器次級同步整流MOSFET管，還要考慮內部寄生體二極體的反向恢復性能。各種參數選取要結合具體應用。
Q4：數據表中RθJA和RθJC，要按照備註中哪一項判定？
A4：RθJA和RθJC是二個不同熱阻值，數據表中的熱阻值，都是在一定條件下測量得到，實際應用的條件不同，得到的測量結果並不相同。
Q5：同樣規格功率MOSFET管，雙管和單管相比，優勢在哪裡？是不是簡單的將RDS(on)減半、ID加倍等參數合成？
A5：雙管和單管功率MOSFET管，要綜合考慮開關損耗和導通損耗，RDS(on)不是簡單減半，因為雙管並聯工作，會有電流不平衡性的問題存在，特別是開關過程中，容易產生動態不平衡性。不考慮開關損耗，僅僅考慮導通損耗，也要對RDS(on)進行降額。
參考來源