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如何改进MOSFET提升系统效率和功率密度
杨平
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通过对同步交流对交流（DC-DC）转换器的功耗机制进行详细分析，可以界定必须要改进的关键金属氧化物半导体场效晶体管 （MOSFET）参数，进而确保持续提升系统效率和功率密度。分析显示，在研发功率MOSFET技术的过程中，以往常见以QG和QGD（即RDS（on）×QG和RDS（on）×QGD）为基础的因子 （FOM）已无法满足需求，若坚持采用固定因子，将可能导致技术选择无法达成优化。通过此次分析的启示，工程师们已定义一套FOM以应用于新的低压功率MOSFET技术研发。由此产生的30伏特（V）技术以超级接面（Superjunction）为基础概念，是DCDC转换器的理想选择；相较于横向和分裂闸极沟槽MOSFET等竞争技术，该技术可同时提供特定的低RDS（on）、QG、 QGD、QOSS和高度闸极回跳抑制。 MOSFET损耗问题加剧 催生新功耗分析技术多相同步降压转换器是微控制器（MCU）以及其他运算密集型集成电路（IC），如数字信号处理器（DSP）和绘图处理器（GPU）供电的拓扑结构选择。在同步降压转换器内，两个功率MOSFET串联形成半桥结构。高处的MOSFET做为控制单结型FET；低处的MOSFET则为同步FET。此电路拓扑演变的关键点在于2000年时，引进Pentium 4微处理器以及相关的ATX12V电源规范，其中的功率轨（即转换电压） 从5伏特提高至12伏特，以达成微处理器需要快速增加电流的要求。因此而产生的工作周期变化使得功率MOSFET在性能优化方面发生重大变革，并全面采用QGD×RDS（on）和QG×RDS（on）等效益指数作为功率MOSFET的性能指针。然而，过去10年以来，特定尺寸产品中此类FOM和RDS（on）已降低约十倍，QG和QGD已不再是影响功率MOSFET功耗的主要因素。就控制FET而言，MOSFET封装和印刷电路板（PCB）联机的寄生电感所产生的功耗可能超过由QGD产生的损耗。降低寄生电感的需求推动Power SO8封装的普及化，并使整合动力的概念于2002年产生，即将控制和同步FET与MOSFET驱动器整合于四方形平面无接脚封装（QFN）中，此概念于2004年获英特尔（Intel）DrMOS规范采用。为解决功率MOSFET多面性的损耗问题，一系列日趋复杂的运算方式和效益指数逐被提出。在功耗机制研究领域中，最被看好的技术是利用如TSuprem4和Medici等TCAD工具制作详细的行为模型，并结合详细的电路仿真（如PSpice），进而产生详细的功耗分析结果。虽然此方法可针对不同的功耗机制进行深入分析，但分析结果需转换成一套以MOSFET参数为基础的 FOM，以用于新技术的研发。
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