高電壓MOSFET技術(shù)在過去幾年中經(jīng)歷了很大變化，給電源工程師帶來了不少選擇。只要提供有關(guān)不同技術(shù)的使用指南，就可以幫助工程師選擇合適的部件以達(dá)成其應(yīng)用的效率和成本目標(biāo)。了解不同MOSFET部件的細(xì)微差別及不同開關(guān)電路中的應(yīng)力，能夠幫助工程師避免諸多問題。本文除介紹簡單的導(dǎo)通阻抗RDS(on) 以及其它MOSFET相關(guān)元素之外，并會探討更高電流密度與更快開關(guān)速度及的意義，提供使用更先進(jìn)的MOSFET取代舊型MOSFET的經(jīng)驗法則，并探討在設(shè)計中利用新型MOSFET來獲得更低RDS(on) 與更低閘極電荷的指引。
高電
壓MOSFET部件采用兩種基本制程技術(shù)：一種是比較傳統(tǒng)的平面制程，如飛兆半導(dǎo)體的QFET UniFET。另一種是較新的電荷平衡技術(shù)。平面制程非常穩(wěn)定和耐用，但是對于確定的活動區(qū)(active area)與崩潰電壓，其導(dǎo)通阻抗RDS(on)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電荷平衡技術(shù)(如飛兆半導(dǎo)體的SuperFET以及SupreMOS MOSFET)的RDS(on)。對于特定的RDS(on)，活動區(qū)大小的顯著差異會通過輸出電容與閘極電荷影響到MOSFET組件的熱阻與開關(guān)速度等其它特性。圖1所示為這三種制程技術(shù)的部份區(qū)別。
在特定崩潰電壓與尺寸條件下，若傳統(tǒng)MOSFET的RDS(on)為1Ω，最新的電荷平衡型部件(如飛兆半導(dǎo)體的SupreMOS MOSFET)的RDS(on)只有不到0.25Ω。如果僅僅關(guān)注RDS(on)，可能會誤認(rèn)為，可以在現(xiàn)有應(yīng)用中采用傳統(tǒng)部件四份之一大小的MOSFET部件。這種想法是錯誤的，因為當(dāng)裸晶(die)尺寸本身更小時，它的熱阻就會更高。因此，當(dāng)你認(rèn)識到MOSFET絕不僅僅是一個由RDS(on)表征的活動區(qū)，上述含義得到進(jìn)一步驗證。它還存在被稱之為“邊緣終端 (edge terminations)”的邊緣環(huán)區(qū)，旨在防止部件出現(xiàn)裸晶邊緣的電壓崩潰，而讓部件在活動區(qū)崩潰。對于更小的MOSFET，特別是對于高電壓部件，該邊緣區(qū)可以大于活動區(qū)，如圖2所示。雖然邊緣區(qū)對MOSFET的RDS(on) 沒有什么貢獻(xiàn)，但它有利于接面到管殼的熱阻RэJC。因此，當(dāng)RDS較高時，具有非常小的活動區(qū)并不能顯著降低MOSFET的整體成本。
要了解這些差異，最好先了解一些適用于所有半導(dǎo)體部件的基本公式。對于任何半導(dǎo)體部件來說，接面溫度(Tj)都是一個關(guān)鍵參數(shù)。一旦超過最大接面溫度Tjmax ，組件就會失效。在較高的接面溫度下，RDS(on)較高，寄生二極管的反向恢復(fù)性能較差，從而導(dǎo)致較高的功率損耗。因此，保持低Tj 有助于提高系統(tǒng)的效率。了解這些影響因素并能夠計算出接面溫度是極有幫助的。接面溫度可由算式1計算：
● Tj = Ta+Pd*RэJA 算式1
算式1包含了三個主要因素：周圍環(huán)境溫度Ta，功耗Pd，以及接面至環(huán)境(junction-to-ambient)熱阻RэJA,。Pd包括部件的傳導(dǎo)損耗與開關(guān)損耗。
這可由算式2計算：
● Pd=D*RDS(on)*ID2+fsw*(Eon+Eoff) 算式 2
算式2中第一項代表的傳導(dǎo)損耗很簡單，其中D是工作周期，ID是泄極電流，RDS(on)是泄極至源極阻抗，它也是電流與溫度的函數(shù)。用戶應(yīng)該查閱數(shù)據(jù)手冊中關(guān)于適用于本應(yīng)用運行環(huán)境的、在近似接面溫度與泄極電流條件下的具體值，以獲得RDS(on)的近似值。D、ID與RDS(on)的準(zhǔn)確數(shù)值常常很難獲得，所以工程師往往選擇合理值的上限來進(jìn)行第一次計算。例如，0.3左右的D，Tjmax下的RDS(on)，以及一般在最壞情況(即低線輸入電壓和最大負(fù)載)下計算得到的Id，就是一組很好的初始值。單獨看上述數(shù)據(jù)，也許有人會認(rèn)為只需要考慮一個參數(shù)RDS(on)，但是為了得到更低的RDS(on)，通常需要一個更大的裸晶，而這會影響到開關(guān)損耗和寄生二極管的恢復(fù)性能。
功耗公式的第二部份與開關(guān)損耗有關(guān)。這種表示形式更常見于IGBT，但fsw*(Eon+Eoff) 則能夠更具體地描述功率損耗。在不同電路情況下，可能沒有導(dǎo)通損耗(Eon)或關(guān)斷損耗(Eoff)，或者是導(dǎo)通損耗或關(guān)斷損耗非常低。對于MOSFET，這些損耗受到開關(guān)速度與恢復(fù)二極管的影響。在平面型MOSFET中，通過壽命控制來提高寄生二極管的性能比在電荷平衡型部件中更為容易。因此，如果你的應(yīng)用需要MOSFET中的寄生二極管導(dǎo)通，例如，馬達(dá)驅(qū)動的UPS和一些鎮(zhèn)流器應(yīng)用，采用一個寄生二極管特性更佳的的MOSFET比具有最低RDS(on)的MOSFET效果更好。最后，這些損耗要乘以開關(guān)頻率(fsw)，關(guān)鍵是設(shè)計合適的閘極驅(qū)動電路，而MOSFET的輸入電容是該設(shè)計中的重要因素。計算最大接面溫度的另一關(guān)鍵部份是接面至環(huán)境的熱阻RэJA，它由算式(3)計算。
RэJA= RэJC+RэCS+RэSA 算式 3
RэJC 是接面至管殼(junction to case)熱阻，與裸晶的尺寸有關(guān)。RэCS是管殼至散熱器(case-to-sink)熱阻，與熱界面及電氣隔離有關(guān)，是用戶參數(shù)。RэSA是散熱器至環(huán)境熱阻，主要與散熱器及空氣流動有關(guān)。
半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊一般提供離散封裝的接面至管殼熱阻與接面至散熱器熱阻。數(shù)據(jù)手冊里也常常會提供接面至環(huán)境熱阻，但其假設(shè)條件是沒有散熱器而且部件安裝在靜止空氣中的電路板上，或者對于一些表面安裝組件，假設(shè)安裝在確定鋪銅量的電路板上。在大多數(shù)情況下，確定管殼至散熱器熱阻以及散熱器至環(huán)境熱阻是由電源工程師負(fù)責(zé)的。
熱阻的重要性表現(xiàn)在多個方面，包括組件的額定電流，如下表所示。表中列出的三種不同600V部件的額定電流均為7A，但彼此的RDS(on)值與RэJC值相差極大。由于MOSFET的額定電流完全由傳導(dǎo)損耗公式?jīng)Q定，因此熱阻降低的影響十分明顯。
因此，選擇正確的部件實際上取決于你打算如何使用這些部件，打算采用什么開關(guān)頻率，什么拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用中的導(dǎo)熱路徑，當(dāng)然，還要考慮你準(zhǔn)備接受的成本。
一些通用的指引是，在沒有寄生二極管恢復(fù)損耗的功率因子校正(PFC)和返馳式應(yīng)用中，如果滿足效率要求所需的RDS(on)大于1Ω，先進(jìn)的平面制程是更好的解決方案，例如UniFET (II)、QFET 或 CFET。這主要是因為較低的RэJC有助于MOSFET部件保持較低溫度。對于這種較大RDS(on)的需求，由于邊緣終端的緣故，電荷反射型部件的活動區(qū)只占整個裸晶面積的較小比例。參見圖1和圖2。對于這些應(yīng)用，平面MOSFET，即使硅片尺寸稍大，也是成本較低的制程，此外兩者封裝成本也差不多。
對于需要反向恢復(fù)的應(yīng)用，除RDS(on)和 RэJC值之外，還必須關(guān)注寄生二極管的其它特性，這一點是非常重要的。采用先進(jìn)平面技術(shù)與新型電荷平衡技術(shù)的MOSFET部件都具有更好的寄生二極管特性。這些部件系列包括采用先進(jìn)平面技術(shù)的UniFETTM FRFETTM和Ultra FRFET II ，以及采用新型電荷平衡技術(shù)的SuperFET MOSFET和 SupreMOS MOSFET。
在需要最低RDS(on)與快速開關(guān)的應(yīng)用中，新的平衡型部件，比如SupreMOS與SuperFET，可提供最大的優(yōu)勢。由于閘極電荷、RDS(on)和RэJC的崩潰值各有差異， 一般而言，SuperFET在RDS(on)要求為0.5-1Ω時具有最大優(yōu)勢;而SuperMOS在RDS(on)低于0.5Ω時優(yōu)勢明顯，這一差異也是由于熱阻的影響。
由于節(jié)約1W電比發(fā)1W電更有價值，功率電子工程師將繼續(xù)致力于在每個應(yīng)用中采用更高效的解決方案。我們必須謹(jǐn)記，影響功耗的因素有很多，包括電路拓?fù)浜蚆OSFET上的應(yīng)力。同時MOSFET的阻抗損耗、開關(guān)損耗以及熱特性也非常重要。
隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗(可能包括寄生二極管恢復(fù))也增加了，在某些拓?fù)渲?，這些損耗可能比”RDS(on)”造成的傳導(dǎo)損耗更顯著。即使在開關(guān)損耗最小的諧振拓?fù)渲?，MOSFET的寄生二極管也作用重大，如果它的反向恢復(fù)時間”trr”太長，就可能無法獲得內(nèi)在拓?fù)涮峁┑男蕛?yōu)勢。因此，透徹了解公式1、2、3，并掌握如何把它們運用到你的應(yīng)用中，將能夠幫助你選擇具有正確特性的MOSFET，最終實現(xiàn)更高效的解決方案。在所有應(yīng)用中，使MOSFET保持盡可能低的溫度將有助于提高電源的效率。這是因為RDS(on)和 Qrr 隨溫度增加而增加，所以，在更高效的設(shè)計中，密切關(guān)注熱路徑及其所有組件非常關(guān)鍵。