MOSFET選擇策略詳解

　　在70年代晚期推出MOSFET之前，晶閘管和雙極結型晶體管(BJT)是僅有的功率開(kāi)關(guān)。BJT是電流控制器件，而MOSFET是電壓控制器件。在80年代，IGBT面市，它仍然是一種電壓控制器件。MOSFET是正溫度系數器件，而IGBT則不一定。MOSFET是多數載流子器件，因而是高頻應用的理想選擇。將直流電轉換為交流電的逆變器，可以在超聲頻率下工作以避免音頻噪聲。相比IGBT，MOSFET還具有高抗雪崩能力。在選擇MOSFET時(shí)，工作頻率是一個(gè)重要因素。相比同等MOSFET，IGBT具有較低的箝位能力。在IGBT和MOSFET之間選擇時(shí)，必須考慮逆變器輸入的直流總線(xiàn)電壓、功率定額、功率拓撲和工作頻率。IGBT通常用于200V及以上的應用，而MOSFET可以用于從20V到1000V的應用。雖然飛兆半導體公司擁有300V的IGBT，但MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率卻比IGBT高出許多。

　　較新型的MOSFET具有更低的傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗，在直到600V的中等電壓應用中正在取代IGBT.設計替代性能源電力系統、UPS、開(kāi)關(guān)電源(SMPS)和其他工業(yè)系統的工程師正不斷設法改進(jìn)這些系統的輕載和滿(mǎn)載效率、功率密度、可靠性和動(dòng)態(tài)性能。風(fēng)能是增長(cháng)最快的能源之一，一個(gè)應用實(shí)例就是風(fēng)力機葉片控制，其中使用了大量的MOSFET器件。通過(guò)迎合不同的應用需求，特定應用的MOSFET可以幫助實(shí)現這些改進(jìn)。

　　其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應用，包括易于安裝在家庭車(chē)庫和商業(yè)停車(chē)場(chǎng)的電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電系統。這些EV充電系統將通過(guò)光伏(PV)太陽(yáng)能系統和公用電網(wǎng)運行。壁掛式EV充電站必須實(shí)現快速充電。對于通信電源而言，PV電池充電站也將變得重要。

　　三相電機驅動(dòng)和UPS逆變器需要相同類(lèi)型的MOSFET，但PV太陽(yáng)能逆變器可能需要不同的MOSFET，如Ultra FRFET MOSFET和常規體二極管MOSFET.最近幾年，業(yè)界大量投資PV太陽(yáng)能發(fā)電。大多數增長(cháng)開(kāi)始于住宅太陽(yáng)能項目，但較大的商業(yè)項目正在出現：諸如多晶硅價(jià)格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件，都促進(jìn)了巨大的市場(chǎng)增長(cháng)。

　　正在普及的并網(wǎng)逆變器是一種將直流電轉換為交流電并注入現有公用電網(wǎng)的專(zhuān)用逆變器。直流電源由可再生能源產(chǎn)生，比如小型或大型的風(fēng)力機組或PV太陽(yáng)能電池板。該逆變器也被稱(chēng)為同步逆變器。僅當連接至電網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)逆變器才會(huì )工作。今天市場(chǎng)上的逆變器采用了不同的拓撲設計，取決于設計的權衡要求。獨立式逆變器采用不同設計，以按照整、滯后或超前功率因數供電。

　　對PV太陽(yáng)能系統的市場(chǎng)需求早已存在，因為太陽(yáng)能可以幫助降低高峰電力成本，能夠消除燃料成本的波動(dòng)性，可為公用電網(wǎng)提供更多的電力，還可作為“綠色”能源進(jìn)行推廣。

　　美國政府已經(jīng)設定了目標，要求國家電力的80%來(lái)自綠色能源。原因如上所述，結合美國政府的目標，PV太陽(yáng)能解決方案已經(jīng)成為一個(gè)不斷增長(cháng)的市場(chǎng)。這帶來(lái)了對MOSFET器件不斷增長(cháng)的需求。如果優(yōu)化不同拓撲的MOSFET器件，終端產(chǎn)品的解決方案可實(shí)現顯著(zhù)的效率提升。

　　高開(kāi)關(guān)頻率應用需要以犧牲RDSON為代價(jià)來(lái)降低MOSFET的寄生電容，而低頻應用卻要求以降低RDSON為最高優(yōu)先級。對于單端應用，MOSFET體二極管的恢復并不重要，但對于雙端應用卻非常重要，因為它們需要低tRR、QRR和更軟的體二級管恢復。在軟開(kāi)關(guān)雙端應用中，這些要求對于可靠性極其重要。在硬開(kāi)關(guān)應用中，隨著(zhù)工作電壓增加，導通和關(guān)斷損耗也將增加。為減少關(guān)斷損耗，可以根據RDSON來(lái)優(yōu)化CRSS和COSS.

　　MOSFET支持零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)拓撲，不過(guò)IGBT卻僅支持ZCS拓撲。通常，IGBT用于大電流和低頻開(kāi)關(guān)，而MOSFET則用于小電流和高頻開(kāi)關(guān)?；旌夏Ｊ椒抡婀ぞ呖梢杂脕?lái)設計特定應用的MOSFET.在硅和溝槽技術(shù)方面的進(jìn)展降低了導通電阻(RDSON)和其他動(dòng)態(tài)寄生電容，并改進(jìn)了MOSFET的體二極管恢復性能。封裝技術(shù)也在這些特定應用的MOSFET中發(fā)揮了作用。

　　逆變器系統

　　DC-AC逆變器廣泛用于電機驅動(dòng)、UPS和綠色能源系統。通常，高電壓和大功率的系統使用IGBT，但對于低壓、中壓和高壓(12V至400V輸入直流總線(xiàn))而言，通常使用MOSFET.在用于太陽(yáng)能逆變器、UPS逆變器和電機驅動(dòng)逆變器的高頻DC-AC逆變器中，MOSFET已獲得普及。在直流總線(xiàn)電壓大于400V的某些應用中，高壓MOSFET被用于小功率應用。MOSFET具有一個(gè)固有的開(kāi)關(guān)性能很差的體二極管，該二極管通常會(huì )在逆變器橋臂的互補MOSFET中帶來(lái)高開(kāi)通損耗。在單開(kāi)關(guān)或單端應用(例如PFC、正激或反激轉換器)中，體二極管并未正向偏置，因而可以忽略它的存在。低載頻逆變器承受著(zhù)附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本的負擔;高載頻逆變器的優(yōu)勢則是更小、更低成本的低通濾波器設計。MOSFET是這些逆變器應用的理想之選，因為它們可以工作在較高的開(kāi)關(guān)頻率下。這能減少射頻干擾(RFI)，因為開(kāi)關(guān)頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內部流動(dòng)，從而消除了向外流動(dòng)。

　　針對逆變器應用的MOSFET的要求包括：

　　特定的導通電阻(RSP)應該較小，來(lái)減少導通損耗。器件到器件的RDSON變化應該較小，這有兩個(gè)目的：在逆變器輸出端的DC分量較少，且該RDSON可以用于電流檢測來(lái)控制異常狀況(主要在低壓逆變器中);對于相同的RDSON，低RSP可以減少晶圓尺寸，從而降低成本。

　　當晶圓尺寸減小時(shí)，可以使用非箝位感應開(kāi)關(guān)(UIS)。應該采用良好的UIS來(lái)設計MOSFET單元結構，且不能有太多的讓步。通常，對于相同的晶圓尺寸，相比平面MOSFET，現代溝槽MOSFET具有良好的UIS.薄晶圓減小了熱阻(RthJC)，在這種情況下，較低的品質(zhì)因數(FOM)可以表示為RSP×RthJC/UIS.3.良好的安全工作區(SOA)和較低的跨導。

　　會(huì )有少量柵漏電容(CGD)(米勒電荷)，但CGD/CGS比必須低。適度高的CGD可以幫助減少EMI.極低的CGD增加了dv/dt，并因此增加了EMI.低CGD/CGS比降低了擊穿的可能性。這些逆變器不在高頻下工作，因而允許柵極ESR有少許增加。因為這些逆變器工作在中等頻率上，所以可以允許有稍高的CGD和CGS.

　　即使在該應用中工作頻率已較低，但降低COSS有助于減少開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)也允許稍微增大COSS.

　　開(kāi)關(guān)期間的COSS和CGD突變會(huì )引起柵極振蕩和較高過(guò)沖，長(cháng)時(shí)間后將有可能損壞柵極。這種情況下，高源漏dv/dt會(huì )成為問(wèn)題。

　　高柵極閾值電壓(VTH)可以實(shí)現更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯(lián)。VTH應該超過(guò)3V.

　　體二極管恢復：需要具有低反向恢復電荷(QRR)和低反向恢復時(shí)間(tRR)的更軟、更快的體二級管。同時(shí)，軟度因子S(Tb/Ta)應大于1.這將減小體二極管恢復dv/dt及逆變器直通的可能性?；钴S的體二極管會(huì )引起擊穿和高壓尖峰問(wèn)題。

　　在某些情況下，需要高(IDM)脈沖漏極電流能力來(lái)提供高(ISC)短路電流抗擾度、高輸出濾波器充電電流和高電機起動(dòng)電流。

　　通過(guò)控制MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷、dv/dt和di/dt，可控制EMI.

　　通過(guò)在晶圓上使用更多的絲焊來(lái)減少共源電感。

　　在快速體二極管MOSFET中，體二極管的電荷生命周期縮短，因而使得tRR和QRR減小，這導致帶體二極管的MOSFET與外延二極管相似。該特性使得該MOSFET成為針對各種不同應用的高頻逆變器(包括太陽(yáng)能逆變器)的極佳選擇。至于逆變器橋臂，二極管由于無(wú)功電流而被迫正向導通，這使得它的特性更為重要。常規MOSFET體二極管通常具有長(cháng)反向恢復時(shí)間和高QRR.如果在負載電流從二極管向逆變器橋臂的互補MOSFET轉換的過(guò)程中，體二極管被迫正向導通了，那么在tRR的整個(gè)時(shí)間段，電源將被抽走很大的電流。這增加了MOSFET中的功率耗散，且降低了效率。而效率是非常重要的，尤其是對于太陽(yáng)能逆變器而言。

　　活躍體二極管還會(huì )引入瞬時(shí)直通狀況，例如，當其在高dv/dt下恢復，米勒電容中的位移電流能夠對柵極充電到VTH以上，同時(shí)互補MOSFET會(huì )試圖導通。這可能引起總線(xiàn)電壓的瞬時(shí)短路，增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此現象，可連接外部的SiC或常規硅二極管與MOSFET反向并聯(lián)。因為MOSFET體二極管的正向電壓較低，肖特基二極管必須與MOSFET串聯(lián)連接。另外，還必須在MOSFET與肖特基二極管組合的兩端跨接反并聯(lián)SiC.當MOSFET反偏時(shí)，外部SiC二極管導通，并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導通。這種方案在太陽(yáng)能逆變器中已經(jīng)變得非常普及，可以提高效率，但卻增加了成本。

　　飛兆半導體采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術(shù)功率器件，適合以上所列應用。與UniFET MOSFET相比，由于RSP減小，UniFET II器件的晶圓尺寸也減小，這有助于改進(jìn)體二極管恢復特性。這種器件目前有兩個(gè)版本：具有較好體二極管的F型FRFET器件，和具有市場(chǎng)上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET.Ultra FRFET型可以省去逆變器橋臂中的SiC和肖特基二極管，同時(shí)達到相同的效率并降低成本。在這種情況下，QRR已經(jīng)從3100nC減少到260nC，并且二極管開(kāi)關(guān)損耗也顯著(zhù)降低。

　　導通傳播延遲、電流和電壓振鈴被減小，串聯(lián)肖特基二極管的傳導損耗也被消除。相比UniFET MOSFET，UniFET II器件還具有較低的COSS，因而開(kāi)關(guān)損耗被減小。

　　電池供電離線(xiàn)UPS逆變器

在中壓應用