選擇高壓場效應(yīng)管實現(xiàn)節(jié)能

選擇高壓場效應(yīng)管實現(xiàn)節(jié)能

高壓金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）技術(shù)在過去幾年中經(jīng)歷了很大的變化，這為電源工程師提供了許多選擇。了解不同MOSFET器件的細微差別及不同切換電路的應(yīng)力，能夠幫助工程師避免許多問題，并實現(xiàn)效率最大化。經(jīng)驗證明，采用新型的MOSFET器件取代舊式MOSFET，除簡單地導(dǎo)通電阻上的差異之外，更重要的是，還能實現(xiàn)更高的電流強度與更快的切換速度以及其他優(yōu)越性能。

技術(shù)
高壓MOSFET器件采用兩種基本工藝：一種是比較常規(guī)的平面工藝；另一種是新的電荷平衡工藝。平面工藝非常穩(wěn)定和耐用，但是在有源區(qū)與擊穿電壓一定時，導(dǎo)通電阻遠遠高于超級FET 或超級MOS的電荷平衡工藝。

對于給定導(dǎo)通電阻，有源區(qū)大小的顯著變化會通過輸出電容與柵極電荷影響器件的熱阻與切換速度。圖1給出了三種工藝的導(dǎo)通電阻。

圖1 三種FET工藝比較

在相同擊穿電壓與尺寸條件下，最新的電荷平衡型器件的導(dǎo)通電阻只是傳統(tǒng)MOSFET器件的25%。如果僅關(guān)注導(dǎo)通電阻，可能會誤認為，可以采用傳統(tǒng)器件四分之一大小的MOSFET器件。但是，由于片基尺寸較小，它的熱阻較高。

當你意識到MOSFET不只是由導(dǎo)通電阻表征的有源區(qū)時，這有著進一步的啟示。所謂“邊緣終端”，是使器件不存在片基邊緣上的電壓擊穿。對于更小的MOSFET器件，特別是對于高壓器件，該邊緣區(qū)可以大于有源區(qū)，如圖2所示。邊緣區(qū)不利于導(dǎo)通電阻，而有利于熱阻（結(jié)到管殼）。因此，在較高的導(dǎo)通電阻條件下，具有非常小的有源區(qū)不能顯著地減少器件整體的成本。

一個圖2 對于較小的MOSFET器件，邊緣區(qū)甚至可大于有源區(qū)
關(guān)鍵參數(shù)

對于任何半導(dǎo)體器件來說，結(jié)溫度(Ti)都是一個關(guān)鍵參數(shù)。一旦超過了器件的Ti(max)，器件將會失效。較高的結(jié)溫度下，導(dǎo)通電阻較高，體二極管的反向恢復(fù)時間較差，從而導(dǎo)致較高的功率損耗，因此保持低的Ti有助于系統(tǒng)更高效的運行。理解這一現(xiàn)象的影響因素并能夠計算結(jié)溫度是很有幫助的。結(jié)溫度可由式（1）計算：
Tj=Ta+Pd·RΦJA             (1)

其中包括三個因素：周圍環(huán)境溫度Ta，功率耗散Pd與結(jié)至環(huán)境（junction-to-ambient）熱阻。Pd包括器件的導(dǎo)通損耗與切換損耗。這可由式2計算：
Pd=D.RDS(on).ID2+fsw.(Eon+Eoff) (2)

第一項明確表示了導(dǎo)通損耗，其中D是占空比，ID是漏極電流，RDS(on)是漏極至源級電阻，它也是電流與溫度的函數(shù)。應(yīng)該查閱數(shù)據(jù)手冊得到本應(yīng)用運行環(huán)境下的結(jié)溫度與漏極電流條件的具體值。

通常難以得到D、ID與RDS(on)的具體數(shù)值，所以工程師們傾向于選擇合理值的上界值。也許有人認為只需要考慮一個參數(shù)RDS(on)，但是為了得到更低的RDS(on)，通常需要更大的片基，這會影響切換損耗和體二極管的恢復(fù)。

切換損耗
功率損耗公式的第二部分與切換損耗有關(guān)。這種表示形式更常見于絕緣柵門極晶體管（IGBT），但fsw.（Eon+Eoff）更好地描述了功率損耗。在不同電流下，可能沒有導(dǎo)通損耗或?qū)�通損耗非常低。

這些損耗受到切換速度與恢復(fù)二極管的影響。在平面型MOSFET器件中，通過提高壽命時間控制體二極管的性能比在電荷平衡型器件中更為容易。因此，如果你的應(yīng)用需要MOSFET中的體二極管導(dǎo)通，例如，電機驅(qū)動的不間斷電源（UPS）或一些鎮(zhèn)流器應(yīng)用，改進的體二極管特性能比最低的導(dǎo)通電阻更有作用。

用這些損失乘以切換頻率（fsw）。關(guān)鍵是設(shè)計合適的柵極驅(qū)動電流，而輸入電容是該設(shè)計中的重要因素。

熱阻
計算最大結(jié)溫度的另一關(guān)鍵是結(jié)至環(huán)境熱阻RΦJA，它由式（3）計算。
RΦJA=RΦJC+RΦCS+RΦSA       (3)

RΦJC是結(jié)至管殼（junction-to-case）的熱阻，與片基尺寸有關(guān)。RΦCS是管殼至匯點（case-to-sink）熱阻，與熱界面及電隔離有關(guān)，是用戶參數(shù)。RΦSA匯點至環(huán)境熱阻，為基本的散熱與空氣流動。

半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊一般提供分立封裝的節(jié)至管殼熱阻與節(jié)至匯點的熱阻。通常提供節(jié)至環(huán)境的熱阻，但這是假設(shè)沒有熱損耗及器件裝于靜止空氣中的板上，或?qū)τ谝恍┍砻媾溲b器件，假設(shè)安裝在確定鋪銅量的電路板上。在大多數(shù)情況下，確定管殼至匯點及匯點至環(huán)境的熱阻是由電源工程師負責(zé)的。

熱阻的重要性表現(xiàn)在多個方面，包括器件的額定電流，如表1所示。給出的三種不同的600V器件的額定電流均為7A，但各自的RDS(on)值與RΦJC值差異很大。由于MOSFET器件的額定電流只是由導(dǎo)通損耗公式?jīng)Q定的，因此低熱阻的影響明顯。

因此，選擇正確的器件實際上取決于你打算如何使用這些器件，打算使用什么切換頻率，什么拓撲結(jié)構(gòu)和應(yīng)用中的導(dǎo)熱路徑，當然，還要考慮你準備接受的成本。

一些通用的指導(dǎo)是，在不存在體二極管恢復(fù)損耗的功率因數(shù)校正（PFC）及回掃應(yīng)用中，如果RDS(on)大于1Ω，高級平面工藝，例如,UniFET（II）、QFET及CFET則是較好的解決方案。這很大程度上是因為較低的RΦJC有助于器件保持較低溫度。對于高RDS(on)的需求，由于邊緣終端的緣故，電荷反射型器件的有緣區(qū)在整個片基區(qū)域中的比例相對較小，而平面工藝的MOSFET，即使硅片稍大，也是較為便宜的工藝，而兩者封裝成本大至相同。

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對于需要反向恢復(fù)的應(yīng)用，在RDS(on)值與RΦJC值之外還需考察二極管特性，這一點是十分重要的。采用高級平面工藝與電荷平衡工藝的MOSFET器件均可具備改進體二極管的特性。

在需要最低RDS(on)與快速切換的應(yīng)用中，新的平衡型器件，例如SupreMOS與SuperFET，可提供最大的優(yōu)勢。一般而言，SuperFET器件在RDS(on)要求為0.5～1Ω之時優(yōu)勢最大。而SuperMOS在RDS(on)低于0.5Ω時優(yōu)勢明顯。這一差異又是由于熱阻的作用。