为你的应用选择合适的高压MOSFET

 

　　高电压MOSFET技术在过去几年中经历了很大变化，给电源工程师带来了不少选择。只要提供有关不同技术的使用指南，就可以帮助工程师选择合适的部件以达成其应用的效率和成本目标。了解不同MOSFET部件的细微差别及不同开关电路中的应力，能够帮助工程师避免诸多问题。本文除介绍简单的导通阻抗RDS(on) 以及其它MOSFET相关元素之外，并会探讨更高电流密度与更快开关速度及的意义，提供使用更先进的MOSFET取代旧型MOSFET的经验法则，并探讨在设计中利用新型MOSFET来获得更低RDS(on) 与更低闸极电荷的指引。

　　高电

　　压MOSFET部件采用两种基本制程技术：一种是比较传统的平面制程，如飞兆半导体的QFET UniFET。另一种是较新的电荷平衡技术。平面制程非常稳定和耐用，但是对于确定的活动区(active area)与崩溃电压，其导通阻抗RDS(on)远远高于电荷平衡技术(如飞兆半导体的SuperFET以及SupreMOS MOSFET)的RDS(on)。对于特定的RDS(on)，活动区大小的显著差异会通过输出电容与闸极电荷影响到MOSFET组件的热阻与开关速度等其它特性。图1所示为这三种制程技术的部份区别。

　　在特定崩溃电压与尺寸条件下，若传统MOSFET的RDS(on)为1Ω，最新的电荷平衡型部件(如飞兆半导体的SupreMOS MOSFET)的RDS(on)只有不到0.25Ω。如果仅仅关注RDS(on)，可能会误认为，可以在现有应用中采用传统部件四份之一大小的MOSFET部件。这种想法是错误的，因为当裸晶(die)尺寸本身更小时，它的热阻就会更高。因此，当你认识到MOSFET绝不仅仅是一个由RDS(on)表征的活动区，上述含义得到进一步验证。它还存在被称之为“边缘终端 (edge terminations)”的边缘环区，旨在防止部件出现裸晶边缘的电压崩溃，而让部件在活动区崩溃。对于更小的MOSFET，特别是对于高电压部件，该边缘区可以大于活动区，如图2所示。虽然边缘区对MOSFET的RDS(on) 没有什么贡献，但它有利于接面到管壳的热阻RэJC。因此，当RDS较高时，具有非常小的活动区并不能显著降低MOSFET的整体成本。

　　要了解这些差异，最好先了解一些适用于所有半导体部件的基本公式。对于任何半导体部件来说，接面温度(Tj)都是一个关键参数。一旦超过最大接面温度Tjmax ，组件就会失效。在较高的接面温度下，RDS(on)较高，寄生二极管的反向恢复性能较差，从而导致较高的功率损耗。因此，保持低Tj 有助于提高系统的效率。了解这些影响因素并能够计算出接面温度是极有帮助的。接面温度可由算式1计算：

　　● Tj = Ta+Pd*RэJA 算式1

　　算式1包含了三个主要因素：周围环境温度Ta，功耗Pd，以及接面至环境(junction-to-ambient)热阻RэJA,。Pd包括部件的传导损耗与开关损耗。

　　这可由算式2计算：

　　● Pd=D*RDS(on)*ID2+fsw*(Eon+Eoff) 算式 2

　　算式2中第一项代表的传导损耗很简单，其中D是工作周期，ID是泄极电流，RDS(on)是泄极至源极阻抗，它也是电流与温度的函数。用户应该查阅数据手册中关于适用于本应用运行环境的、在近似接面温度与泄极电流条件下的具体值，以获得RDS(on)的近似值。D、ID与RDS(on)的准确数值常常很难获得，所以工程师往往选择合理值的上限来进行第一次计算。例如，0.3左右的D，Tjmax下的RDS(on)，以及一般在最坏情况(即低线输入电压和最大负载)下计算得到的Id，就是一组很好的初始值。单独看上述数据，也许有人会认为只需要考虑一个参数RDS(on)，但是为了得到更低的RDS(on)，通常需要一个更大的裸晶，而这会影响到开关损耗和寄生二极管的恢复性能。

　　功耗公式的第二部份与开关损耗有关。这种表示形式更常见于IGBT，但fsw*(Eon+Eoff) 则能够更具体地描述功率损耗。在不同电路情况下，可能没有导通损耗(Eon)或关断损耗(Eoff)，或者是导通损耗或关断损耗非常低。对于MOSFET，这些损耗受到开关速度与恢复二极管的影响。在平面型MOSFET中，通过寿命控制来提高寄生二极管的性能比在电荷平衡型部件中更为容易。因此，如果你的应用需要MOSFET中的寄生二极管导通，例如，马达驱动的UPS和一些镇流器应用，采用一个寄生二极管特性更佳的的MOSFET比具有最低RDS(on)的MOSFET效果更好。最后，这些损耗要乘以开关频率(fsw)，关键是设计合适的闸极驱动电路，而MOSFET的输入电容是该设计中的重要因素。

　　计算最大接面温度的另一关键部份是接面至环境的热阻RэJA，它由算式(3)计算。

　　RэJA= RэJC+RэCS+RэSA 算式 3

　　RэJC 是接面至管壳(junction to case)热阻，与裸晶的尺寸有关。RэCS是管壳至散热器(case-to-sink)热阻，与热界面及电气隔离有关，是用户参数。RэSA是散热器至环境热阻，主要与散热器及空气流动有关。

　　半导体数据手册一般提供离散封装的接面至管壳热阻与接面至散热器热阻。数据手册里也常常会提供接面至环境热阻，但其假设条件是没有散热器而且部件安装在静止空气中的电路板上，或者对于一些表面安装组件，假设安装在确定铺铜量的电路板上。在大多数情况下，确定管壳至散热器热阻以及散热器至环境热阻是由电源工程师负责的。

　　热阻的重要性表现在多个方面，包括组件的额定电流，如下表所示。表中列出的三种不同600V部件的额定电流均为7A，但彼此的RDS(on)值与RэJC值相差极大。由于MOSFET的额定电流完全由传导损耗公式决定，因此热阻降低的影响十分明显。

　　因此，选择正确的部件实际上取决于你打算如何使用这些部件，打算采用什么开关频率，什么拓扑结构和应用中的导热路径，当然，还要考虑你准备接受的成本。

　　一些通用的指引是，在没有寄生二极管恢复损耗的功率因子校正(PFC)和返驰式应用中，如果满足效率要求所需的RDS(on)大于1Ω，先进的平面制程是更好的解决方案，例如UniFET (II)、QFET 或 CFET。这主要是因为较低的RэJC有助于MOSFET部件保持较低温度。对于这种较大RDS(on)的需求，由于边缘终端的缘故，电荷反射型部件的活动区只占整个裸晶面积的较小比例。参见图1和图2。对于这些应用，平面MOSFET，即使硅片尺寸稍大，也是成本较低的制程，此外两者封装成本也差不多。

　　对于需要反向恢复的应用，除RDS(on)和 RэJC值之外，还必须关注寄生二极管的其它特性，这一点是非常重要的。采用先进平面技术与新型电荷平衡技术的MOSFET部件都具有更好的寄生二极管特性。这些部件系列包括采用先进平面技术的UniFETTM FRFETTM和Ultra FRFET II ，以及采用新型电荷平衡技术的SuperFET MOSFET和 SupreMOS MOSFET。

　　在需要最低RDS(on)与快速开关的应用中，新的平衡型部件，比如SupreMOS与SuperFET，可提供最大的优势。由于闸极电荷、RDS(on)和RэJC的崩溃值各有差异， 一般而言，SuperFET在RDS(on)要求为0.5-1Ω时具有最大优势;而SuperMOS在RDS(on)低于0.5Ω时优势明显，这一差异也是由于热阻的影响。

　　由于节约1W电比发1W电更有价值，功率电子工程师将继续致力于在每个应用中采用更高效的解决方案。我们必须谨记，影响功耗的因素有很多，包括电路拓扑和MOSFET上的应力。同时MOSFET的阻抗损耗、开关损耗以及热特性也非常重要。

　　随着开关频率的提高，开关损耗(可能包括寄生二极管恢复)也增加了，在某些拓扑中，这些损耗可能比”RDS(on)”造成的传导损耗更显著。即使在开关损耗最小的谐振拓扑中，MOSFET的寄生二极管也作用重大，如果它的反向恢复时间”trr”太长，就可能无法获得内在拓扑提供的效率优势。因此，透彻了解公式1、2、3，并掌握如何把它们运用到你的应用中，将能够帮助你选择具有正确特性的MOSFET，最终实现更高效的解决方案。在所有应用中，使MOSFET保持尽可能低的温度将有助于提高电源的效率。这是因为RDS(on)和 Qrr 随温度增加而增加，所以，在更高效的设计中，密切关注热路径及其所有组件非常关键。