在70年代晚期推出MOSFET之前，晶閘管和雙極結(jié)型晶體管(BJT)是僅有的功率開關(guān)。BJT是電流控制器件，而MOSFET是電壓控制器件。在80年代，IGBT面市，它仍然是一種電壓控制器件。MOSFET是正溫度系數(shù)器件，而IGBT則不一定。MOSFET是多數(shù)載流子器件，因而是高頻應用的理想選擇。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器，可以在超聲頻率下工作以避免音頻噪聲。相比IGBT，MOSFET還具有高抗雪崩能力。在選擇MOSFET時，工作頻率是一個重要因素。相比同等MOSFET，IGBT具有較低的箝位能力。在IGBT和MOSFET之間選擇時，必須考慮逆變器輸入的直流總線電壓、功率定額、功率拓撲和工作頻率。IGBT通常用于200V及以上的應用，而MOSFET可以用于從20V到1000V的應用。雖然飛兆半導體公司擁有300V的IGBT，但MOSFET的開關(guān)頻率卻比IGBT高出許多。
較新型的MOSFET具有更低的傳導損耗和開關(guān)損耗，在直到600V的中等電壓應用中正在取代IGBT。設計替代性能源電力系統(tǒng)、UPS、開關(guān)電源(SMPS)和其他工業(yè)系統(tǒng)的工程師正不斷設法改進這些系統(tǒng)的輕載和滿載效率、功率密度、可靠性和動態(tài)性能。風能是增長最快的能源之一，一個應用實例就是風力機葉片控制，其中使用了大量的MOSFET器件。通過迎合不同的應用需求，特定應用的MOSFET可以幫助實現(xiàn)這些改進。
其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應用，包括易于安裝在家庭車庫和商業(yè)停車場的電動汽車(EV)充電系統(tǒng)。這些EV充電系統(tǒng)將通過光伏(PV)太陽能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)運行。壁掛式EV充電站必須實現(xiàn)快速充電。對于通信電源而言，PV電池充電站也將變得重要。
三相電機驅(qū)動和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET，但PV太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET，如Ultra FRFET MOSFET和常規(guī)體二極管MOSFET。最近幾年，業(yè)界大量投資PV太陽能發(fā)電。大多數(shù)增長開始于住宅太陽能項目，但較大的商業(yè)項目正在出現(xiàn)：諸如多晶硅價格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件，都促進了巨大的市場增長。
正在普及的并網(wǎng)逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入現(xiàn)有公用電網(wǎng)的專用逆變器。直流電源由可再生能源產(chǎn)生，比如小型或大型的風力機組或PV太陽能電池板。該逆變器也被稱為同步逆變器。僅當連接至電網(wǎng)時，并網(wǎng)逆變器才會工作。今天市場上的逆變器采用了不同的拓撲設計，取決于設計的權(quán)衡要求。獨立式逆變器采用不同設計，以按照整、滯后或超前功率因數(shù)供電。
對PV太陽能系統(tǒng)的市場需求早已存在，因為太陽能可以幫助降低高峰電力成本，能夠消除燃料成本的波動性，可為公用電網(wǎng)提供更多的電力，還可作為“綠色”能源進行推廣。
美國政府已經(jīng)設定了目標，要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述，結(jié)合美國政府的目標，PV太陽能解決方案已經(jīng)成為一個不斷增長的市場。這帶來了對MOSFET器件不斷增長的需求。如果優(yōu)化不同拓撲的MOSFET器件，終端產(chǎn)品的解決方案可實現(xiàn)顯著的效率提升。
高開關(guān)頻率應用需要以犧牲RDSON為代價來降低MOSFET的寄生電容，而低頻應用卻要求以降低RDSON為最高優(yōu)先級。對于單端應用，MOSFET體二極管的恢復并不重要，但對于雙端應用卻非常重要，因為它們需要低tRR、QRR和更軟的體二級管恢復。在軟開關(guān)雙端應用中，這些要求對于可靠性極其重要。在硬開關(guān)應用中，隨著工作電壓增加，導通和關(guān)斷損耗也將增加。為減少關(guān)斷損耗，可以根據(jù)RDSON來優(yōu)化CRSS和COSS。
MOSFET支持零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)拓撲，不過IGBT卻僅支持ZCS拓撲。通常，IGBT用于大電流和低頻開關(guān)，而MOSFET則用于小電流和高頻開關(guān)�；旌夏Ｊ椒抡婀ぞ呖梢杂脕碓O計特定應用的MOSFET。在硅和溝槽技術(shù)方面的進展降低了導通電阻(RDSON)和其他動態(tài)寄生電容，并改進了MOSFET的體二極管恢復性能。封裝技術(shù)也在這些特定應用的MOSFET中發(fā)揮了作用。
逆變器系統(tǒng)
DC-AC逆變器廣泛用于電機驅(qū)動、UPS和綠色能源系統(tǒng)。通常，高電壓和大功率的系統(tǒng)使用IGBT，但對于低壓、中壓和高壓(12V至400V輸入直流總線)而言，通常使用MOSFET。在用于太陽能逆變器、UPS逆變器和電機驅(qū)動逆變器的高頻DC-AC逆變器中，MOSFET已獲得普及。在直流總線電壓大于400V的某些應用中，高壓MOSFET被用于小功率應用。MOSFET具有一個固有的開關(guān)性能很差的體二極管，該二極管通常會在逆變器橋臂的互補MOSFET中帶來高開通損耗。在單開關(guān)或單端應用(例如PFC、正激或反激轉(zhuǎn)換器)中，體二極管并未正向偏置，因而可以忽略它的存在。低載頻逆變器承受著附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本的負擔；高載頻逆變器的優(yōu)勢則是更小、更低成本的低通濾波器設計。MOSFET是這些逆變器應用的理想之選，因為它們可以工作在較高的開關(guān)頻率下。這能減少射頻干擾(RFI)，因為開關(guān)頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內(nèi)部流動，從而消除了向外流動。
針對逆變器應用的MOSFET的要求包括：
特定的導通電阻(RSP)應該較小，來減少導通損耗。器件到器件的RDSON變化應該較小，這有兩個目的：在逆變器輸出端的DC分量較少，且該RDSON可以用于電流檢測來控制異常狀況(主要在低壓逆變器中)；對于相同的RDSON，低RSP可以減少晶圓尺寸，從而降低成本。
當晶圓尺寸減小時，可以使用非箝位感應開關(guān)(UIS)。應該采用良好的UIS來設計MOSFET單元結(jié)構(gòu)，且不能有太多的讓步。通常，對于相同的晶圓尺寸，相比平面MOSFET，現(xiàn)代溝槽MOSFET具有良好的UIS。薄晶圓減小了熱阻(RthJC)，在這種情況下，較低的品質(zhì)因數(shù)(FOM)可以表示為RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作區(qū)(SOA)和較低的跨導。
會有少量柵漏電容(CGD)(米勒電荷)，但CGD/CGS比必須低。適度高的CGD可以幫助減少EMI。極低的CGD增加了dv/dt，并因此增加了EMI。低CGD/CGS比降低了擊穿的可能性。這些逆變器不在高頻下工作，因而允許柵極ESR有少許增加。因為這些逆變器工作在中等頻率上，所以可以允許有稍高的CGD和CGS。
即使在該應用中工作頻率已較低，但降低COSS有助于減少開關(guān)損耗。同時也允許稍微增大COSS。
開關(guān)期間的COSS和CGD突變會引起柵極振蕩和較高過沖，長時間后將有可能損壞柵極。這種情況下，高源漏dv/dt會成為問題。
高柵極閾值電壓(VTH)可以實現(xiàn)更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯(lián)。VTH應該超過3V。
體二極管恢復：需要具有低反向恢復電荷(QRR)和低反向恢復時間(tRR)的更軟、更快的體二級管。同時，軟度因子S(Tb/Ta)應大于1。這將減小體二極管恢復dv/dt及逆變器直通的可能性�；钴S的體二極管會引起擊穿和高壓尖峰問題。
在某些情況下，需要高(IDM)脈沖漏極電流能力來提供高(ISC)短路電流抗擾度、高輸出濾波器充電電流和高電機起動電流。
通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷、dv/dt和di/dt，可控制EMI。
通過在晶圓上使用更多的絲焊來減少共源電感。
在快速體二極管MOSFET中，體二極管的電荷生命周期縮短，因而使得tRR和QRR減小，這導致帶體二極管的MOSFET與外延二極管相似。該特性使得該MOSFET成為針對各種不同應用的高頻逆變器(包括太陽能逆變器)的極佳選擇。至于逆變器橋臂，二極管由于無功電流而被迫正向?qū)�，這使得它的特性更為重要。常規(guī)MOSFET體二極管通常具有長反向恢復時間和高QRR。如果在負載電流從二極管向逆變器橋臂的互補MOSFET轉(zhuǎn)換的過程中，體二極管被迫正向?qū)�，那么在tRR的整個時間段，電源將被抽走很大的電流。這增加了MOSFET中的功率耗散，且降低了效率。而效率是非常重要的，尤其是對于太陽能逆變器而言。
活躍體二極管還會引入瞬時直通狀況，例如，當其在高dv/dt下恢復，米勒電容中的位移電流能夠?qū)艠O充電到VTH以上，同時互補MOSFET會試圖導通。這可能引起總線電壓的瞬時短路，增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此現(xiàn)象，可連接外部的SiC或常規(guī)硅二極管與MOSFET反向并聯(lián)。因為MOSFET體二極管的正向電壓較低，肖特基二極管必須與MOSFET串聯(lián)連接。另外，還必須在MOSFET與肖特基二極管組合的兩端跨接反并聯(lián)SiC(圖1)。當MOSFET反偏時，外部SiC二極管導通，并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導通。這種方案在太陽能逆變器中已經(jīng)變得非常普及，可以提高效率，但卻增加了成本。
圖1：Ultra FRFET MOSFET替代逆變器橋臂中失效的常規(guī)FET體二極管。
圖2：太陽能逆變器中的Ultra FRFET器件與標準MOSFET和SiC解決方案(SiC二極管用作續(xù)流二極管)的效率對比。
飛兆半導體采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術(shù)功率器件，適合以上所列應用。與UniFET MOSFET相比，由于RSP減小，UniFET II器件的晶圓尺寸也減小，這有助于改進體二極管恢復特性。這種器件目前有兩個版本：具有較好體二極管的F型FRFET器件，和具有市場上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET。Ultra FRFET型可以省去逆變器橋臂中的SiC和肖特基二極管，同時達到相同的效率并降低成本。圖2所示為Ultra FRFET MOSFET、標準MOSFET結(jié)構(gòu)(如圖1b所示)和SiC結(jié)構(gòu)(如圖1a所示)的效率比較。圖3顯示了Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規(guī)UniFET MOSFET器件之間的二極管恢復比較。在這種情況下，QRR已經(jīng)從3100nC減少到260nC，并且二極管開關(guān)損耗也顯著降低。
圖3：Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規(guī)UniFET MOSFET的體二極管恢復的比較。
圖4顯示相比標準UniFET II MOSFET，采用Ultra FRFET可以減少大約75%的導通損耗。導通傳播延遲、電流和電壓振鈴被減小，串聯(lián)肖特基二極管的傳導損耗也被消除。相比UniFET MOSFET，UniFET II器件還具有較低的COSS，因而開關(guān)損耗被減小。
圖4：標準MOSFET和具有相同晶圓尺寸的Ultra FRFET UniFET II MOSFET的導通比較。
電池供電離線UPS逆變器
在中壓應用中，飛兆半導體的PowerTrench MOSFET技術(shù)是針對此類逆變器的不錯的解決方案。
圖5和圖6顯示了在使用FDP023N08的逆變器應用中，飛兆半導體PowerTrench MOSFET技術(shù)的開關(guān)性能。如圖6所示，相比市場上最好的MOSFET，其關(guān)斷能量大約降低了30%。同時，相比于相同MOSFET，其開通損耗也降低了約20%，如圖5所示。該體二極管具有較低的tRR和QRR。根據(jù)表1，低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性。這種MOSFET技術(shù)支持離線UPS逆變器。
圖5：導通狀態(tài)下，PowerTrench MOSFET技術(shù)和競爭對手最佳80V MOSFET的對比。
圖6：關(guān)斷狀態(tài)下，PowerTrench技術(shù)和競爭對手最佳80V MOSFET對比。
開關(guān)電源市場
通過結(jié)合改進的電源電路拓撲和概念與改進的低損耗功率器件，開關(guān)電源行業(yè)在提高功率密度、效率和可靠性方面，正在經(jīng)歷革命性的發(fā)展。移相-脈寬調(diào)制-零電壓開關(guān)-全橋(PS-PWM-FB-ZVS)和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓撲利用FRFET MOSFET作為功率開關(guān)實現(xiàn)了這些目標。LLC諧振轉(zhuǎn)換器通常用于較低功率應用，而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應用。這些拓撲具有以下優(yōu)勢：減少了開關(guān)損耗；減少了EMI；相比準諧振拓撲減少了MOSFET應力；由于增加了開關(guān)頻率，提高了功率密度，因而減小了散熱器尺寸和變壓器尺寸。
用于移相全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應用的MOSFET要求包括：具有較低tRR和QRR以及最佳軟度的快速軟恢復體二極管MOSFET，這能提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極管電壓尖峰，并增加可靠性；低QGD和QGD對QGS之比：在輕載下，將出現(xiàn)硬開關(guān)，并且高CGD*dv/dt會引起擊穿；在關(guān)斷和導通期間，柵極內(nèi)部較低的分布ESR對ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布有益；輕載下，低COSS可擴展ZVS開關(guān)，此時 ZVS開關(guān)變?yōu)橛查_關(guān)，低COSS將減少硬開關(guān)損耗；該拓撲工作在高頻下，需要優(yōu)化的低CISS MOSFET。
以上應用推薦使用FRFET、UniFET II和SupreMOS MOSFET。常規(guī)MOSFET體二極管會引起失效。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET(FCH47N60NF)就適用于此拓撲，因為tRR和QRR已有改進。另外，會引起失效的活躍二極管也已改進。
離線式AC/DC
通常，AC電源經(jīng)整流輸入大電容濾波器，且從該電源抽取的電流為大振幅窄脈沖，該級形成了SMPS的前端。大振幅電流脈沖將產(chǎn)生諧波，而引起對其它設備的嚴重干擾，并減少可以獲得的最大功率。失真的線路電壓將引起電容器過熱、電介質(zhì)應力和絕緣過壓；失真的線路電流將增加配電損耗，并減少可用功率。利用功率因數(shù)校正，可以確保符合管理規(guī)范，減少因上述應力而導致的器件失效，并通過增加從電源獲得的最大功率，改進器件效率。
功率因數(shù)校正是一種使輸入盡可能變成純阻性的方法。與典型的SMPS只有0.6到0.7的功率因數(shù)值相比，這非常令人滿意，因為電阻具有整功率因數(shù)。這使得配電系統(tǒng)能夠以最高效率運行。
功率因數(shù)控制升壓開關(guān)的要求包括：
低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù)。QGD和CGD會影響開關(guān)速率，低CGD和QGD會減少開關(guān)損耗，低RSP會減少傳導損耗。
對于硬開關(guān)和ZVS開關(guān)，低COSS將減少關(guān)斷損耗。
低CISS將減少柵極驅(qū)動功率，因為PFC通常工作在100KHz以上的某個頻率。
高dv/dt抗擾能力以實現(xiàn)可靠運行。
如果需要MOSFET并聯(lián)，高柵極閾值電壓(VTHGS)(3~5V)可以提供幫助，并且其提供的抗擾性可經(jīng)受dv/dt狀況再次出現(xiàn)帶來的影響。
動態(tài)開關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突變會導致柵極振蕩，而增加柵極電壓。這會影響到長期的可靠性。
柵極ESR非常重要，因為高ESR會增加關(guān)斷損耗，尤其是在ZVS拓撲中。
針對這一應用，推薦使用UniFET、UniFET II、常規(guī)SuperFET和SupreMOS MOSFET。FCH76N60N是市場上采用TO-247封裝、具有最低RDS(ON)的超級結(jié)MOSFET之一。通過SupreMOS技術(shù)，設計工程師可以提高效率和功率密度。FCP190N60是最新加入到SuperFET II系列MOSFET的產(chǎn)品。相比SuperFET I MOSFET，RSP改善了1/3，使之成為離線AC-DC應用的理想選擇。
次級側(cè)同步整流：同步整流也被稱為“有源”整流，它采用MOSFET替代二極管。同步整流用于提升整流效率。通常，二極管的壓降會在0.7V至1.5V之間變化，而在二極管中產(chǎn)生較高功率損耗。在低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中，該壓降非常顯著，將導致效率下降。有時會使用肖特基整流器來代替硅二極管，但由于電壓升高，其正向壓降也將增加。在低壓轉(zhuǎn)換器中，肖特基整流無法提供足夠的效率，因而這些應用需要同步整流。
現(xiàn)代MOSFET的RSP已經(jīng)顯著減小，并且MOSFET的動態(tài)參數(shù)也已得到優(yōu)化。當二極管被替換為這些有源受控MOSFET，便可實現(xiàn)同步整流。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導通電阻，并且可以顯著降低MOSFET的壓降，即便是在大電流下。相比二極管整流，這顯著地提高了效率。同步整流不是硬開關(guān)，它在穩(wěn)態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換。在導通和關(guān)斷期間，MOSFET體二極管導通，使得MOSFET的壓降為負，并引起CISS增加。由于這種軟開關(guān)，柵極恒壓(plateau)轉(zhuǎn)變?yōu)榱�，從而有效地減少了柵極電荷。
以下是對同步整流的某些主要要求：低RSP；低動態(tài)寄生電容：這減少了柵極驅(qū)動功率，因為同步整流電路通常工作在高頻下；低QRR和COSS減少了反向電流，當此拓撲工作在高開關(guān)頻率下會成為一個問題，在高開關(guān)頻率下，此反向電流充當了大漏電流；需要低tRR、QRR和軟體二極管來避免瞬時擊穿并降低開關(guān)損耗。導通為零電壓開關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后，體二極管再次導通，當次級電壓反向時，體二極管恢復，這將增加擊穿的風險。活躍二極管可能需要在每個MOSFET上跨接一個緩沖電路；低QGD/QGS比。
表1說明了PowerTrench MOSFET器件和領(lǐng)先競爭產(chǎn)品之間的性能差異。采用飛兆半導體PowerTrench技術(shù)，RSP、COSS、CRSS、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級有源整流。對于相同RDS(ON)，PowerTrench的晶圓尺寸大約減小了30%，RSP減少了30%，因而在同步整流中降低了傳導損耗。
表1：PowerTrench MOSFET與最佳競爭產(chǎn)品的對比。
有源OR-ing
最簡單形式的OR-ing器件是一種二極管。當OR-ing二極管失效時，將通過不允許電流流入輸入電源來對其進行保護。OR-ing二極管允許電流僅以一個方向流動。它們用于隔離冗余電源，因而一個電源的失效不會影響整個系統(tǒng)。消除單點失效，允許系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來保持運行。然而，實現(xiàn)這種隔離卻有難題。一旦該OR-ing二極管插入到電流路徑中，則會產(chǎn)生額外的功率損耗和效率降低。該功率損耗會導致OR-ing二極管發(fā)熱，因而需要增加散熱器，降低系統(tǒng)的功率密度。當二極管關(guān)斷時，其反向恢復會成為一個問題——該二極管必須具有軟開關(guān)特性。為克服其中的一些問題，已使用了肖特基二極管。這些二極管和p-n二極管之間的一個重要差異，就是減小的正向壓降和可忽略的反向恢復。普通硅二極管的壓降介于0.7至1.7V之間；肖特基二極管的正向電壓降在0.2至0.55V之間。雖然肖特基二極管在用作OR-ing二極管時，系統(tǒng)的傳導損耗降低，但肖特基二極管卻具有較大漏電流——這將帶來傳導損耗。該損耗低于硅二極管。
這個問題的替代解決方案是使用功率MOSFET替代肖特基二極管。這引入了額外的MOSFET柵極驅(qū)動器，增加了復雜性。MOSFET的RDSON必須非常小，從而該MOSFET的壓降比肖特基二極管的正向壓降低很多，這可稱為有源OR-ing�，F(xiàn)代低壓MOSFET的RDSON非常低——即便采用TO-220或D2PAK封裝，它也可以低至幾毫歐。飛兆半導體采用PQFN56封裝的FDS7650，對于30V MOSFET可以小到低于1毫歐。當OR-ing MOSFET導通時，它允許電流以任一方向流動。在失效情況下，冗余電源將產(chǎn)生大電流，因而OR-ing MOSFET必須快速關(guān)斷。飛兆半導體的PowerTrench技術(shù)MOSFET也適用于這種應用。 |
