高效能低電壓Power MOSFET及其參數(shù)與應(yīng)用

　　前言

　　近年來(lái)，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、有限的資源及日益嚴(yán)重的地球暖化現(xiàn)象，促使環(huán)保節(jié)能的觀(guān)念逐漸受到重視，更造就各項(xiàng)新能源的開(kāi)發(fā)，能源利用技術(shù)及新式組件或裝置的發(fā)展，而能源政策的推廣更使得能源概念的商機(jī)逐漸擴(kuò)大。

　　為了滿(mǎn)足節(jié)能和降低系統(tǒng)功率損耗的需求，需要更高的能源轉(zhuǎn)換效率，這些與時(shí)俱進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對(duì)于電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者會(huì)是日益嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)此需求，除使用各種新的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌╰opology）與電源轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)提高電源轉(zhuǎn)換效率之外，新式功率組件在高效能轉(zhuǎn)換器中所扮演的重要角色，亦不容忽視。其中，Power MOSFET目前已廣泛應(yīng)用于各種電源轉(zhuǎn)換器。本文將簡(jiǎn)述Power MOSFET的特性、參數(shù)與應(yīng)用，除針對(duì)目前低電壓Power MOSFET的發(fā)展趨勢(shì)做簡(jiǎn)單介紹外，還將簡(jiǎn)單比較新一代低壓Power MOSFET的性能。

　　Power MOSFET的參數(shù)與應(yīng)用

　　電源設(shè)計(jì)工程師在選用Power MOSFET設(shè)計(jì)電源時(shí)，大多直接以Power MOSFET的最大耐壓、最大導(dǎo)通電流能力及導(dǎo)通電阻等三項(xiàng)參數(shù)做出初步?jīng)Q定。但實(shí)際上，在不同的應(yīng)用電路中，Power MOSFET的選用有更細(xì)膩的考慮因素，以下將簡(jiǎn)單介紹 Power MOSFET的參數(shù)在應(yīng)用上更值得注意的幾項(xiàng)重點(diǎn)。

　　1 功率損耗及安全工作區(qū)域（Safe Operating Area， SOA）

　　對(duì)Power MOSFET而言，決定其最大功率損耗是由溫度及接觸-包裝外殼間之熱阻所決定，即：

　　 （1）

　　由上式可知，若能夠有效減少熱阻，則Power MOSFET所能承受之的最大功率損耗就可以獲得提升。因此，工藝的最大改進(jìn)目標(biāo)就是減少熱阻。

　　圖1為Power MOSFET之安全工作區(qū)示意圖，此安全區(qū)主要是由四個(gè)條件所決定：導(dǎo)通電阻RDSON、最大脈沖電流IDpulse、最大功率損耗PD及最大耐壓VBR。正常條件下，Power MOSFET都必須工作在安全工作區(qū)域之內(nèi)。

　　圖1 Power MOSFET之安全工作區(qū)域圖

　　2 Power MOSFET傳導(dǎo)與并聯(lián)使用

　　Power MOSFET的傳導(dǎo)（transconductance， gfs）為其工作在線(xiàn)性區(qū)（linear region）時(shí)，VGS與ID間的小信號(hào)增益值，可以用下式表示。

　　gfs=ΔID/ΔVGS （2）

　　Power MOSFET在導(dǎo)通及截止的過(guò)程中工作在線(xiàn)性區(qū)，因此傳導(dǎo)的大小與導(dǎo)通及截止的過(guò)程中，所能流經(jīng)Power MOSFET的最大電流有關(guān)，亦即：

　　ID=（VGS-Vth）middot;gfs （3）

　　然而在中/高電流的應(yīng)用電路中，在為了提升效率所采用的Power MOSFET并聯(lián)方法下，傳導(dǎo)值就會(huì)直接影響到在導(dǎo)通及截止的過(guò)程中，流經(jīng)各Power MOSFET的電流均勻程度。一般而言，會(huì)采用具高傳導(dǎo)值的Power MOSFET，減少并聯(lián)使用中的電流不均情況。

　　3 切換速度與閘極電荷（Qg）

　　CGD充電時(shí)之VGS電壓及相對(duì)應(yīng)之各項(xiàng)波形。由圖中可知，極間電容CGS及CGD在Power MOSFET的切換速度上扮演重要的角色。

　　Qg用以表示Power MOSFET在導(dǎo)通或截止的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電路所必須對(duì)極間電容充電/放電之總電荷量。在一般操作之下，Power MOSFET切換的延遲時(shí)間可用一簡(jiǎn)單公式表示。

　　td=Qg/iG （4）

　　此外，在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)Power MOSFET導(dǎo)通及截止的過(guò)程中，對(duì)Power MOSFET的極間電容進(jìn)行充/放電的柵極電荷，事實(shí)上也是一種形式的損耗，只是發(fā)生于驅(qū)動(dòng)電路。若Qg值愈大，要達(dá)到高頻率操作及高速切換，則需要具較高電流能力之驅(qū)動(dòng)電路。Power MOSFET之驅(qū)動(dòng)損耗可以下式表示。

　　PDRV=VDRV×QG×FSW （5）

　　其中，VDRV為驅(qū)動(dòng)電路之驅(qū)動(dòng)電壓。

　　4 Qgd/Qgs1與dVDS/dt

　　在高端MOSFET導(dǎo)通及低端截止的瞬間，單相同步整流降壓電路架構(gòu)的等效電路如圖3所示。其中，輸入等效電容 Ciss=Cgs+Cgd；輸出等效電容 Coss=Cgd+Cds；反饋等效電容 Crss=Cgd，內(nèi)含有其他寄生電容及NPN三級(jí)管。

　　圖2 Power MOSFET柵極電荷示意圖

　　圖3 高端MOSFET導(dǎo)通及低端MOSFET截止過(guò)程的等效電路

　　在可能的操作條件下，低壓側(cè)Power MOSFET Q2截止時(shí)，且VDS上升斜率dVDS/dt很高時(shí)，VDS可能經(jīng)Cgd對(duì)Cgs充電。因此，為避免因這充電現(xiàn)象發(fā)生而導(dǎo)致的高/低壓側(cè)Power MOSFET同時(shí)導(dǎo)通而燒毀，一般需選用（Qgd/Qgs1）《1（Qgs1表示Qgs在Vgs《Vgs（th）時(shí)的值）。另外，在高dVDS/dt的情況下，VDS可以透過(guò)另一個(gè)寄生電容Cdb觸發(fā)Power MOSFET內(nèi)的寄生晶體管，造成Power MOSFET的燒毀。 因此，在實(shí)際應(yīng)用電路中必須盡量避免Power MOSFET超過(guò)其dV/dt值。

　　5崩潰及崩潰能量

　　Power MOSFET在VDS》BVDSS后會(huì)進(jìn)入崩潰區(qū)（Avalanche），其操作如同一齊那二極管，當(dāng)能量超過(guò)某一值時(shí)，會(huì)造成雪崩擊穿 （Avalanche Breakdown）。在正常使用情況下，功率晶體應(yīng)避免操作于此情況。在Power MOSFET的規(guī)格表中標(biāo)示有“EAS”及”EAR”參數(shù)，此參數(shù)分別代表進(jìn)入崩潰時(shí)，Power MOSFET能夠忍受的單次脈波及重復(fù)性脈波最大能量。

　　單次脈沖崩潰能量：EAS=1/2×VBS×IAS×tAV

　　重復(fù)性脈沖崩潰能量：EAR=1/2×VBR×IAR×tAV

　　其中，tAV表示Power MOSFET進(jìn)入崩潰時(shí)之延續(xù)時(shí)間。

　　雪崩擊穿一般可分為兩種損壞模式： （1）高能量雪崩擊穿損壞，屬于高電感、低電流且長(zhǎng)時(shí)間雪崩擊穿，導(dǎo)致積熱無(wú)法及時(shí)散逸而使得Power MOSFET損壞，例如驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的應(yīng)用；（2）低能量雪崩擊穿損壞，屬于低電感、高電流且短時(shí)間雪崩擊穿，導(dǎo)致瞬間過(guò)熱無(wú)法及時(shí)散逸而使得功率MOSFET損壞，如個(gè)人計(jì)算機(jī)主機(jī)板之中央處理器（CPU）核心電源（Vcore）的應(yīng)用。大部分的功率MOSFET的損壞是由于過(guò)大的能量（Electrical Over Stress;EOS）加于組件而導(dǎo)致過(guò)熱或超出安全工作范圍而引發(fā)的。

　　Power MOSFET損耗分析與設(shè)計(jì)趨勢(shì)

　　以同步整流降壓轉(zhuǎn)換器做損耗分析，可說(shuō)明目前Power MOSFET在應(yīng)用電路中的各項(xiàng)功率損耗情況。

　　對(duì)高端的Power MOSFET而言，其功率損耗為：

　　Ploss，Q1=導(dǎo)通損耗+切換損耗+驅(qū)動(dòng)損耗+電容性損耗，亦即：

　　 （6）

　　而低端之同步整流 Power MOSFET之功率損耗為：

　　Ploss，Q2=導(dǎo)通損耗+驅(qū)動(dòng)損耗+電容性損耗+本體二極管回復(fù)損耗，亦即：

　　 （7）

　　從式（6）、（7）可知，Power MOSFET主要的損耗來(lái)源有三：（1）導(dǎo)通電阻造成導(dǎo)通損失；（2）閘極電荷造成驅(qū)動(dòng)電路上的損耗及切換損失；（3）輸出電容在截止/導(dǎo)通的過(guò)程中造成Power MOSFET的儲(chǔ)能/耗能。值得注意的是，除了導(dǎo)通損耗以外，其余各項(xiàng)損耗均與Power MOSFET之極間電容或門(mén)極電荷及切換頻率呈正比。亦即，若要在較高頻率操作，必須選用較低極間電容或門(mén)極電荷之Power MOSFET，可以有效減少高頻率下之切換損失。

　　而Power MOSFET發(fā)展趨勢(shì)亦是以減少導(dǎo)通/切換損耗、快速切換為目標(biāo)，使其所應(yīng)用之電源供應(yīng)裝置，能夠達(dá)到效率高、輕量化、小型化及穩(wěn)定性高之產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。以下將說(shuō)明現(xiàn)今低壓Power MOSFET之發(fā)展趨勢(shì)，并以Infineon Technologies公司所生產(chǎn)之新一代OptiMOS？為例，比較性能優(yōu)劣。