功率元器件應用秘訣，采用專用MOSFET提高效率

　　自體二極體對效率影響甚巨

　　本文討論的快速自體二極體MOSFET，因自體二極體的離子壽命被壓縮，故減少tRR和QRR，讓MOSFET的自體與外延二極體極為相似。這種特性使此一MOSFET適用于各種不同應用的高頻逆變器。至于逆變器橋臂，二極體由于反向電流而被迫正向?qū)ǎ油伙@此特性的重要性。

　　相形之下，常規(guī)MOSFET的自體二極體一般反向恢復時間長、QRR值高，若此自體二極體被迫導通，負載電流則改變方向，從二極體流向逆變器橋臂中的互補MOSFET；那么，在整個tRR期間，可從電源獲得大電流。這增加MOSFET中的功率耗散，并降低效率，尤其對太陽能逆變器而言，效率至關(guān)重要，將不偏向採用此一設計。

　　更重要的是，活躍自體二極體還會引入暫態(tài)擊穿狀況，例如，當其在高dv/dt下恢復，米勒電容中的位移電流能對閘極充電，達到VTH以上，同時互補MOSFET正試圖導通。這可能引起匯流排電壓的暫態(tài)短路，增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此一現(xiàn)象，可在外部加碳化硅（SiC）或常規(guī)硅二極體，并以與MOSFET反向平行的方式進行連接。因為MOSFET自體二極體的正向電壓低，必須加上蕭特基二極體（Schottky Diode）與MOSFET串聯(lián)。

　　此外，一個反向平行的SiC須跨接在此一MOSFET和蕭特基二極體的組合之上（圖1）。當MOSFET反向偏壓時，外部SiC二極體導通，串接的蕭特基二極體不會允許MOSFET自體二極體導通。這種架構(gòu)在太陽能逆變器中已變得非常普及，可以提高效率，但將增加成本。

　　圖1 以Ultra FRFET MOSFET（b）取代逆變器橋臂中失效的常規(guī)FET自體二極體（a）

　　要滿足上述所有應用，搭載快捷（Fairchild）FRFET技術(shù)的UniFET II高壓MOSFET功率元件，將是有效的解決方案。相較于UniFET MOSFET，由于RSP減小，UniFET II元件的裸晶尺寸也減小，并有助于改善自體二極體恢復的特性。

　　圖2顯示Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規(guī)UniFET MOSFET元件之間的二極體恢復比較。在這種情況下，QRR已經(jīng)從3，100nC減少到260nC，且二極體開關(guān)損耗也顯著降低。

　　圖2　Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規(guī)UniFET MOSFET的自體二極體恢復特性比較

　　圖3則顯示採用Ultra FRFET時，相較于標準的UniFET II MOSFET，約可減少75%的導通損耗；同時也減少導通延遲時間、電流和電壓振鈴，并消除串聯(lián)蕭特基二極體的傳導損耗。不僅如此，UniFET II還降低COSS，優(yōu)化開關(guān)效率。圖4所示為Ultra FRFET MOSFET、標準MOSFET和SiC結(jié)構(gòu)的效率比較。

　　圖3 標準MOSFET和具有相同裸晶尺寸的Ultra FRFET UniFET II MOSFET的導通效率比較

　　圖4 太陽能逆變器中的Ultra FRFET元件、標準MOSFET和SiC解決方案的效率比較

　　不僅如此，特定應用MOSFET在其他電源管理設計中，也占有非常重要的地位，包括在SMPS、離線AC-DC、同步整流控制及取代主動OR-ing二極體的應用解決方案，均可窺見蹤跡，以下將分別介紹。

提高SMPS功率密度　拓撲架構(gòu)徹底翻新

　　藉由整合電路拓撲的改善與更低損耗功率元件，SMPS開發(fā)商在提高功率密度、效率和可靠性方面，正進行一場革命性的發(fā)展，包括相移（Phase-Shifted）、脈寬調(diào)變（PWM）、零電壓開關(guān)、全橋和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓撲，均可利用FRFET MOSFET做為功率開關(guān)來實現(xiàn)這些目標。除LLC諧振轉(zhuǎn)換器常用于較低的功率應用外，其余拓撲皆用在較高功率。

　　這些拓撲具有以下的優(yōu)勢：減少開關(guān)損耗、EMI，且相較于準諧振拓撲，減少MOSFET應力，由于提升開關(guān)頻率，因而減小散熱器和變壓器尺寸，對提高功率密度大有幫助。對相移全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應用的MOSFET要求，則包括具較低tRR和QRR，以及最佳軟度的快速軟恢復體二極體MOSFET，以提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極體的電壓尖峰并增加可靠性。同時還要有低QGD和QGD/QGS比，因在輕負載下將出現(xiàn)硬開關(guān)，且高CGD×dv/dt可能會引起擊穿。

　　由于零電壓開關(guān)會變?yōu)橛查_關(guān)，降低COSS可將零電壓開關(guān)延伸到更輕負載，從而減少硬開關(guān)損耗。此拓撲于高頻下運行，需要一個經(jīng)優(yōu)化的低CISS MOSFET。接著在關(guān)斷和導通期間，較低的分散式閘極內(nèi)部ESR對于ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布是有益的。

　　針對以上應用要求，常規(guī)MOSFET自體二極體有時會引起失效，而SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET則相當適用于此一拓撲，因tRR和QRR，以及會引起失效的活躍二極體均有所改善。

　　導入PFC功能　AC-DC電源效率大增

　　另一方面，傳統(tǒng)AC電源經(jīng)整流后輸入大電容濾波器，從輸入提取的電流為狹窄的高振幅脈衝，這一級構(gòu)成SMPS的前端。當高振幅電流脈衝產(chǎn)生諧波，將對其他設備造成嚴重干擾，此外，也減少可從電源獲得的最大功率。

　　由于失真AC電壓將使電容器過熱、電介質(zhì)應力和絕緣過壓，而失真電流也加劇配電損耗且浪費可用功率。為解決此一問題，利用PFC功能方可確保符合監(jiān)管規(guī)範，減少由上述應力而導致的元件失效，并拉高電源利用效率，改善元件性能。

　　採用PFC可使輸入端看起來更像一個電阻，因相較于典型的0.60.7的SMPS功率因數(shù)值，該電阻具有一單位功率因數(shù)（Unity Power Factor），促使配電系統(tǒng)能以最高效率運行。

　　至于對PFC升壓開關(guān)的功能要求，首先是低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù)，因QGD和CGD會影響開關(guān)速率，同時也要降低CGD、QGD和RSP，以減少導通與開關(guān)損耗。此外，還要具備硬開關(guān)和零電壓開關(guān)，使COSS減少來壓低關(guān)斷損耗；加上PFC通常在100KHz以上的頻率運行，亦要降低CISS減低閘極驅(qū)動功率。

　　至于PFC運作的可靠度，則須仰賴高dv/dt抗擾性，若需要MOSFET并聯(lián)提供抗擾性，以承受dv/dt狀況的再次出現(xiàn)，還須採用高閘極閾值電壓（VTHGS）（35伏特）。

　　另外，PFC動態(tài)開關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突然改變會導致閘極振盪，并增加閘極電壓，將影響長期的可靠性，設計時須留意此一情形。因高ESR會增加關(guān)斷損耗，尤其在零電壓開關(guān)拓撲中，故閘極ESR的控制相當重要。

　　改善電源壓降情形　同步整流方案崛起

　　同步整流也被稱為主動（Active）整流，其以MOSFET取代二極體，用以提升整流效率。典型二極體的電壓降大約會在0.71.5伏特之間，使得二極體中產(chǎn)生高的功率損耗。在低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，此電壓降將非常顯著，造成效率下降。有時以蕭特基整流器來代替硅二極體來改善；然而，因為當電壓升高時，它的正向電壓降也會增加；且在低壓轉(zhuǎn)換器中，蕭特基二級體整流也無法提供足夠效率，促進同步整流方案興起。

　　現(xiàn)代MOSFET的RSP已大幅減少，且動態(tài)參數(shù)也已被優(yōu)化。當這些主動式的控制MOSFET替換掉二極體，就可啟動同步整流。如今，MOSFET已可實現(xiàn)僅幾毫歐導通電阻，即使在大電流下亦可顯著降低兩端的電壓降，相較于二極體整流，大幅度提高效率。

　　此外，同步整流不是硬開關(guān)，在穩(wěn)定狀態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換，且在導通和關(guān)斷期間，MOSFET自體二極體導通，使經(jīng)過MOSFET的壓降為負，增加CISS。由于這種軟開關(guān)，閘極恆壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，將可有效減少閘極電荷。

　　對同步整流的主要要求包括低RSP、低動態(tài)寄生電容，藉此減少在高頻下運行的同步整流電路閘極驅(qū)動功率。此外，還須具備低QRR和COSS以減少反向電流，當此一拓撲在高開關(guān)頻率下運行時，會引發(fā)一個問題，就是在高開關(guān)頻率下，此反向電流將可充當高洩漏電流。

　　與此同時，為避免暫態(tài)擊穿及降低開關(guān)損耗，還需要低tRR、QRR和軟性的自體二極體，且導通需為零電壓開關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后，自體二極體再次導通，當次級電壓反轉(zhuǎn)時，自體二極體恢復，使得擊穿的風險升高。對此，活躍二極體需要一個跨接MOSFET的緩衝電路，而QGD/QGS比也須具較低規(guī)格，方能用于二級側(cè)同步整流。

　　接替蕭特基二極體　MOSFET OR-ing更高效

　　至于形式最簡單的OR-ing元件也是一種二極體，僅允許電流在一個方向流動，故當其失效時，電流不會回流入電源端，可保護輸入電源。此類二極體可用于隔離冗余電源，若一個電源失效，將不會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，只要移除單