基于橋式結構的功率MOSFET，例如半橋、全橋和LLC的電源系統，同步Buck變換器的續流開關管、以及次級同步整流開關管， 其體內寄生的二極管都會經歷反向電流恢復的過程。

功率MOSFET的體二極管的反向恢復性能和快恢復二極管及肖特基二極管相比，其反向恢復速度要低很多， 反向恢復電荷也要大很多，因此反向恢復的特性較差。

這樣，導致二極管的開關損耗增加，降低系統的效率，同時，也會產生較高的振鈴，影響功率MOSFET的安全工作，甚至可能導致橋臂直通，功率MOSFET損壞。

MOSFET的結構及反向恢復波形分析

N溝道增強型功率MOSFET的結構如圖1所示，在柵極加上一定正電壓后，溝槽壁側的P基區反型，形成垂直溝道。由圖1中的結構可以看到， P基區和N-epi形成了一個PN結，即MOSFET的寄生體二極管。

圖1 MOSFET內部結構

在開關變換器中，由于寄生體二極管的存在，就無需分立的二極管來提供續流的通路， 因此，體二極管也擁有普通二極管一樣的特性，比如最重要的反向恢復特性。當通入的電壓突然反向時，二極管上的電流也瞬間反向了，隨后才變小，進而進入反向截止狀態。這個現象就叫二極管的反向恢復，圖2可以很好地說明整個反向恢復的過程。

圖2 反向恢復波形

a. 在階段 (1), 體二極管處于截止狀態；

b. 在階段 (2), 體二極管開始導通，二極管正向導通。

c. 在階段 (3), 二極管正向導通，正向電流 I=IF。

d. 階段 (4), 當體二極管突然施加反向電壓時，二極管電流減小至0，然后反向增加，且由于二極管反向電壓的上升，導致了反向恢復電流的di/dt 逐漸減小；當di/dt 降到0，掃出電流達到最大值，即IRR；

e. 階段 (5), 反向恢復過程結束，由于負di/dt 的存在， 二極管上的反向電壓將會出現超調， 當電流降為0 時，反向電壓將會達到最大值，之后，回路進入了RLC自由振蕩階段。階段 (6)二極管關斷過程結束。

功率MOSFET的換流方式

功率MOSFET有兩種換流方式---硬換流與軟換流。MOSFET的硬整流與MOSFET的體二極管反向恢復有關，比如體二極管關斷時的正向導通電流，或者累計反向恢復的電荷量。另一種軟換流則是指功率MOSFET換流時可以避免二極管的反向恢復影響，這在ZCS軟開關變換器中很常見，因為反向恢復條件只發生在關斷過程中，正向電流和二極管電壓均為正，所以從理論上講，體二極管的反向恢復在零電流開關變換器中不發生。本文旨在分析二極管的反向恢復對MOSFET換流的影響，所以軟換流不會在本文件中進一步討論。

下面就硬換流過程結合半橋電路進行分析，在實際的半橋變換器的應用中，同步整流下管由MOSFET來代替二極管可以有效減小導通損耗。同步整流管與上管互補導通，圖3為Infineon關于硬換流的半橋測試電路原理圖，在這個測試電路中，同步整流管接地，這可以強制整流電流完全通過體二極管進行續流，以此來檢測二極管的反向恢復現象。

圖3 MOSFET反向恢復測試電路示意圖

圖3右側圖是體二極管關斷時的電壓電流波形，初始狀態為正向導通，當上管開通時，下管的體二極管開始關斷。二極管電流以固定斜率 (di/dt)下降到零，然后反向增加。負電流也就是反向恢復電流(Irr)，最終到達峰值反向恢復電流的峰值 (Irrm)，然后再回到0。反向恢復過程結束，體二極管回到阻斷狀態。

反向恢復電荷(Qrr)

一般數據手冊中都會通過圖3所示的電路得到反向恢復電荷Qrr和反向恢復時間Trr，用以表征該MOSFET的反向恢復能力。其中Trr測量得到，Qrr則通過計算圖中的陰影面積得到，近似由下面公式得到。

在半橋電路中，當體二極管處于反向恢復過程中，反向恢復電流與上管的MOSFET電流同向，導致MOSFET上有一個過沖，這將導致MOSFET發生雪崩，甚至可能超過其雪崩時間，其次為了抑制過沖，需要加一定的緩沖電路來滿足功率器件的降額使用。圖3中的VDS(peak) 即為所闡述的過沖電壓。

如前所述，反向恢復Qrr能夠引起過沖，越大的Qrr，過沖越大，甚至存在器件損壞的風險。換句話說，也就是Qrr較低的器件不易受到劇烈的硬換流影響。因此，Qrr是功率器件硬換流強度的很好的指標。

由于Qrr在很多情況下是不可避免的，所以理解影響反向恢復和Qrr的因素是很有必要的，下面即為Qrr與其影響因素之間關系的闡述。

反向恢復電荷隨時間積累，在一個固定的二極管導通電流與di/dt，Qrr在二極管導通期間積累，導通時間越長，電荷量積累越多直到飽和為止。圖4為Qrr隨時間積累的過程圖。

圖4為Qrr隨時間積累的過程圖

在固定的di/dt情況下，二極管導通電流越大，儲存的Qrr越高。圖5給出了Qrr與二極管導通電流的關系。

圖5 Qrr與二極管導通電流的關系

飽和的Qrr也會隨著電流的變化快慢而變化，電流的變化斜率 (di/dt)越高，Qrr越高。換句話說，如果整流環路設計的比較好且電感量很低，可以使得開關頻率很高，MOSFET勢必會累積下很高的Qrr。圖6給出了Qrr與電流變化斜率 (di/dt)的關系。

圖6 Qrr與電流變化斜率 (di/dt)的關系

結語

對于MOSFET體二極管的反向恢復帶來的影響，改善措施有以下兩個方面，

1.最直接且最有效減小Qrr的措施是更換Qrr更小的MOSFET；
2.根據影響Qrr的因素，做出相應的改善措施，如降低二極管導通時間，減小二極管導通電流以及減小換流的電流斜率，但相對來說這些措施是比較難實現或者難以控制的。

*二極管導通一般發生在死去區間，所以有效減少死去時間就可以減少二極管反向恢復的影響，但缺點是如何控制最小死區時間比較難把握。

*二極管導通電流的大小則是由電路拓撲，而電路拓撲的選擇需要考慮很多因素，一旦確定，很難因為二極管的反向恢復進行更改。

*電流斜率(di/dt)則與換流環路的寄生電感有關。一方面為了減小Qrr的影響，需要增大電感量，而另一方面則為了實現更高的工作頻率，需要減小PCB layout的寄生電感參數，這又是互相矛盾的。

所以我們針對MOSFET反向恢復的處理，在其他條件允許范圍內，盡量選取Qrr值低的MOSFET，更近一步措施，考慮減小相關因素的影響。