高壓場效應管實現節能-KIA MOS管

高壓場效應管

高壓金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）技術在過去幾年中經歷了很大的變化，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力，能夠幫助工程師避免許多問題，并實現效率最大化。經驗證明，采用新型的MOSFET器件取代舊式MOSFET，除簡單地導通電阻上的差異之外，更重要的是，還能實現更高的電流強度與更快的切換速度以及其他優越性能。

高壓場效應管-技術

高壓MOSFET器件采用兩種基本工藝：一種是比較常規的平面工藝；另一種是新的電荷平衡工藝。

平面工藝非常穩定和耐用，但是在有源區與擊穿電壓一定時，導通電阻遠遠高于超級FET 或超級MOS的電荷平衡工藝。

對于給定導通電阻，有源區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通電阻只是傳統MOSFET器件的25%。如果僅關注導通電阻，可能會誤認為，可以采用傳統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不只是由導通電阻表征的有源區時，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，該邊緣區可以大于有源區，如圖2所示。

邊緣區不利于導通電阻，而有利于熱阻（結到管殼）。因此，在較高的導通電阻條件下，具有非常小的有源區不能顯著地減少器件整體的成本。

圖2 對于較小的MOSFET器件，邊緣區甚至可大于有源區

關鍵參數

對于任何半導體器件來說，結溫度(TI)都是一個關鍵參數。一旦超過了器件的TI(max)，器件將會失效。

較高的結溫度下，導通電阻較高，體二極管的反向恢復時間較差，從而導致較高的功率損耗，因此保持低的TI有助于系統更高效的運行。理解這一現象的影響因素并能夠計算結溫度是很有幫助的。

結溫度可由式（1）計算：

Tj=Ta+Pd·RΦJA             (1)

其中包括三個因素：周圍環境溫度Ta，功率耗散Pd與結至環境（juncTIon-to-ambient）熱阻。Pd包括器件的導通損耗與切換損耗。

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。應該查閱數據手冊得到本應用運行環境下的結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。

切換損耗

功率損耗公式的第二部分與切換損耗有關。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，可能沒有導通損耗或導通損耗非常低。

這些損耗受到切換速度與恢復二極管的影響。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，如果你的應用需要MOSFET中的體二極管導通，例如，電機驅動的不間斷電源（UPS）或一些鎮流器應用，改進的體二極管特性能比最低的導通電阻更有作用。

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

熱阻

計算最大結溫度的另一關鍵是結至環境熱阻RΦJA，它由式（3）計算。

RΦJA=RΦJC+RΦCS+RΦSA       (3)

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

半導體數據手冊一般提供分立封裝的節至管殼熱阻與節至匯點的熱阻。通常提供節至環境的熱阻，但這是假設沒有熱損耗及器件裝于靜止空氣中的板上，或對于一些表面配裝器件，假設安裝在確定鋪銅量的電路板上。在大多數情況下，確定管殼至匯點及匯點至環境的熱阻是由電源工程師負責的。

熱阻的重要性表現在多個方面，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通損耗公式決定的，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，什么拓撲結構和應用中的導熱路徑，當然，還要考慮你準備接受的成本。

一些通用的指導是，在不存在體二極管恢復損耗的功率因數校正（PFC）及回掃應用中，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在整個片基區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。

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

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