在通信電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和D類音頻功放等應(yīng)用中，硬開(kāi)關(guān)拓?fù)湫枰鎸?duì)一個(gè)棘手問(wèn)題——功率MOSFET體二極管的反向恢復(fù)電荷（Qrr）。Qrr過(guò)高，輕則系統(tǒng)效率驟降、發(fā)熱加劇，重則引發(fā)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴失控、電壓過(guò)沖，迫使工程師不得不額外增加緩沖電路，成本與空間雙雙承壓。

無(wú)錫新潔能新推出的250V SGT（屏蔽柵溝槽技術(shù)）功率MOSFET NCEP025S90T，以“Super Recovery”超快恢復(fù)系列的身份登場(chǎng)，憑借低反向恢復(fù)電荷，為高性能、高可靠性要求的硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用提供更優(yōu)選擇。

一、Qrr——硬開(kāi)關(guān)拓?fù)涞男阅芷款i

功率MOSFET的體二極管（Body Diode）由器件內(nèi)部的PN結(jié)自然形成，是制造工藝中固有的寄生二極管結(jié)構(gòu)。它在電路中承擔(dān)續(xù)流和保護(hù)功能的同時(shí)，也引入了額外的損耗和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

當(dāng)器件處于正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)部會(huì)注入并存儲(chǔ)大量少數(shù)載流子。一旦器件需要從正向?qū)ㄇ袚Q至反向阻斷，這些存儲(chǔ)的載流子必須先被“抽走”，體二極管才能恢復(fù)阻斷能力，此過(guò)程稱為反向恢復(fù)。而反向恢復(fù)電荷Qrr，正是定義這一過(guò)程中載流子總量的核心參數(shù)——自電流過(guò)零開(kāi)始，到反向恢復(fù)電流衰減至規(guī)定值為止，整個(gè)反向恢復(fù)波形所包圍的電荷總量。該參數(shù)直接關(guān)聯(lián)著硬開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的一個(gè)棘手的工程難題——反向恢復(fù)損耗與電壓過(guò)沖。

在典型的硬開(kāi)關(guān)橋式電路中，當(dāng)下管體二極管續(xù)流時(shí)存儲(chǔ)的Qrr，會(huì)在上管開(kāi)通瞬間被強(qiáng)行抽取，導(dǎo)致上管開(kāi)通電流出現(xiàn)一個(gè)額外的尖峰脈沖。這不僅增加了開(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)應(yīng)力，還會(huì)在寄生電感上激發(fā)劇烈的電壓振鈴與過(guò)沖，直接威脅系統(tǒng)可靠性。簡(jiǎn)而言之，Qrr越大，損耗越高，過(guò)沖越猛，EMI越難抑制，緩沖電路設(shè)計(jì)也就越復(fù)雜。

二、SGT技術(shù)專項(xiàng)優(yōu)化，反向恢復(fù)電荷（Qrr）直降86%

新潔能基于SGT屏蔽柵溝槽技術(shù)，對(duì)MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性進(jìn)行了專項(xiàng)優(yōu)化。超快反向恢復(fù)產(chǎn)品NCEP025S90T的反向恢復(fù)電荷相較上一代產(chǎn)品直降86%。

傳統(tǒng)溝槽MOSFET的漂移區(qū)呈三角形分布，而SGT結(jié)構(gòu)通過(guò)引入屏蔽柵，在傳統(tǒng)溝槽MOSFET的垂直耗盡基礎(chǔ)上疊加了水平耗盡效應(yīng)，將漂移區(qū)電場(chǎng)整形為近似矩形分布。這一改變?cè)谙嗤瑩舸╇妷合掠行Ы档土似茀^(qū)電阻，同時(shí)優(yōu)化了體二極管的開(kāi)關(guān)特性，從而縮減反向恢復(fù)電荷、縮短反向恢復(fù)時(shí)間。

為量化評(píng)估優(yōu)化效果，新潔能在雙脈沖測(cè)試平臺(tái)上，將NCEP025S90T與上一代通用平臺(tái)產(chǎn)品NCEP02590T進(jìn)行體二極管反向恢復(fù)性能對(duì)比。測(cè)試條件為：正向電流IF=45A、電流變化率di/dt=100A/μs，結(jié)果如下：

反向恢復(fù)時(shí)間（Trr）：由163ns縮短至67ns，降幅58.9%；

反向恢復(fù)電荷（Qrr）：由1307nC降至178nC，降幅86%；

峰值反向恢復(fù)電流（Irrm）：由16A減至5A。

NCEP02590T（左）與NCEP025S90T（右）反向恢復(fù)對(duì)比測(cè)試波形（圖源官方）

86%的Qrr降幅絕非停留在紙面的數(shù)字優(yōu)化，而是直接轉(zhuǎn)化為三項(xiàng)明確的工程紅利：

1、過(guò)沖電壓有效抑制。反向恢復(fù)電荷是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的能量來(lái)源，Qrr大幅減少后，VDS尖峰自然回落。緩沖電路參數(shù)不必再為最惡劣工況預(yù)留過(guò)重冗余，甚至可簡(jiǎn)化RCD吸收網(wǎng)絡(luò)，BOM成本與PCB面積雙雙受益。

2、開(kāi)關(guān)損耗顯著降低。Qrr每減少一點(diǎn)，續(xù)流二極管反向恢復(fù)期抽取的多余電荷便少一點(diǎn)，主開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟瞬間需要硬扛的電流沖擊隨之減弱。這對(duì)高頻化趨勢(shì)下的效率提升尤其關(guān)鍵。

3、EMI友善度躍升。振鈴幅度與諧波分量同步削減，傳導(dǎo)與輻射干擾的源頭得到緩解，濾波器設(shè)計(jì)壓力減小。

三、RRSOA提升超5倍，筑牢安全邊界

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電路等感性負(fù)載應(yīng)用中，MOSFET體二極管不僅要“能關(guān)斷”，還要“關(guān)的住”。反向恢復(fù)安全工作區(qū)（RRSOA）正是衡量體二極管動(dòng)態(tài)續(xù)流承受能力的硬指標(biāo)——它決定了器件在承受高di/dt與反向電壓應(yīng)力時(shí)是否會(huì)進(jìn)入動(dòng)態(tài)雪崩失效。

新潔能對(duì)NCEP025S90T與上一代產(chǎn)品NCEP02590T進(jìn)行了逐級(jí)加嚴(yán)的雙脈沖應(yīng)力測(cè)試：實(shí)驗(yàn)采用雙脈沖電路，將開(kāi)關(guān)管（Q1）和續(xù)流管（Q2）分別同時(shí)替換為被測(cè)器件，逐次增加脈沖寬度以提升續(xù)流管電流，記錄續(xù)流管在反向恢復(fù)階段的通過(guò)情況。

雙脈沖測(cè)試電路圖（圖源官方） 雙脈沖測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖（圖源官方）

測(cè)試結(jié)果表明，NCEP025S90T的反向恢復(fù)安全區(qū)較上一代產(chǎn)品提升幅度超過(guò)5倍，且高溫下RRSOA未出現(xiàn)明顯衰減，體二極管高溫動(dòng)態(tài)可靠性優(yōu)異。這意味著在電機(jī)頻繁剎車(chē)、換向或橋臂直通續(xù)流的惡劣工況下，器件的體二極管擁有更寬的安全邊界，不會(huì)輕易成為系統(tǒng)的薄弱一環(huán)。對(duì)于48V~100V電壓等級(jí)的電動(dòng)工具、無(wú)人機(jī)電調(diào)、伺服驅(qū)動(dòng)等設(shè)計(jì)而言，這一特性無(wú)異于一顆“定心丸”。

RRSOA對(duì)比測(cè)試結(jié)果

注：表中335A為設(shè)備電流能力上限，非MOS管過(guò)流能力上限

四、電性參數(shù)高度兼容，支持設(shè)計(jì)升級(jí)

為幫助工程師以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)，NCEP025S90T在其余動(dòng)靜態(tài)電性參數(shù)上，與上一代產(chǎn)品NCEP02590T保持了高度一致，且采用相同封裝（TO-247），原有設(shè)計(jì)幾乎無(wú)需調(diào)整即可兼容替換。具體參數(shù)對(duì)比如下：

從表中可見(jiàn)，器件的輸入電容Ciss和柵極電荷Qg僅有微幅波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)回路基本無(wú)需調(diào)整，現(xiàn)有設(shè)計(jì)可直接替換。唯一的取舍在于導(dǎo)通電阻：Ron從14.90mΩ調(diào)整至18.60mΩ。

但請(qǐng)注意：在絕大多數(shù)硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)損耗的降低帶來(lái)的系統(tǒng)級(jí)收益，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)覆蓋這不到4mΩ導(dǎo)通電阻的輕微溫升代價(jià)，尤其是當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率邁向百kHz級(jí)別時(shí)，效率曲線的天平將向NCEP025S90T一側(cè)傾斜。

圖源官方

五、應(yīng)用場(chǎng)景

憑借低反向恢復(fù)電荷與寬反向恢復(fù)安全區(qū)的核心優(yōu)勢(shì)，NCEP025S90T可應(yīng)用于：

48V~100V電機(jī)控制系統(tǒng)：電動(dòng)工具、低壓伺服、機(jī)器人關(guān)節(jié)、無(wú)人機(jī)電調(diào)等場(chǎng)景，寬RRSOA為電機(jī)頻繁換向、剎車(chē)提供可靠保障；

通信電源：48V母線DC-DC變換器，可作為原邊開(kāi)關(guān)管或副邊同步整流管的理想選擇，低Qrr特性助力電源實(shí)現(xiàn)高頻化、高功率密度升級(jí)；

工業(yè)電源與逆變電路：高功率密度工業(yè)電源模塊、小型逆變器等對(duì)效率與可靠性有嚴(yán)苛要求的場(chǎng)景，簡(jiǎn)化EMI與緩沖電路設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

Class-D音頻放大器：利用低Qrr特性降低開(kāi)關(guān)失真，減少音頻底噪與失真，提升音質(zhì)純凈度與聽(tīng)感體驗(yàn)。

六、總結(jié)

新潔能NCEP025S90T是一款通過(guò)合理犧牲少量導(dǎo)通電阻性能，換取體二極管反向恢復(fù)性能革命性提升的功率器件。其低Qrr能有效抑制電壓尖峰、簡(jiǎn)化EMI濾波設(shè)計(jì)；寬RRSOA確保系統(tǒng)極端工況下穩(wěn)定運(yùn)行，特別適合需要高開(kāi)關(guān)頻率或電機(jī)感性負(fù)載續(xù)流的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)洹Ｈ缧枇私飧嘤嘘P(guān)新潔能產(chǎn)品信息或申請(qǐng)樣品，可聯(lián)系官方授權(quán)代理商：sales@chiplinkstech.com；聯(lián)系電話，陳工：13924675549（微信同號(hào)），微信公眾號(hào)：智聯(lián)微-電機(jī)控制芯片，提供選型服務(wù)與技術(shù)支持。

審核編輯 黃宇