MOSFET選擇策略詳解

中，飛兆半導體的PowerTrench MOSFET技術(shù)是針對此類(lèi)逆變器的不錯的解決方案。

　　相比于相同MOSFET，其開(kāi)通損耗也降低了約20%，如圖5所示。該體二極管具有較低的tRR和QRR.根據表1，低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性。這種MOSFET技術(shù)支持離線(xiàn)UPS逆變器。

　　開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)

　　通過(guò)結合改進(jìn)的電源電路拓撲和概念與改進(jìn)的低損耗功率器件，開(kāi)關(guān)電源行業(yè)在提高功率密度、效率和可靠性方面，正在經(jīng)歷革命性的發(fā)展。移相-脈寬調制-零電壓開(kāi)關(guān)-全橋(PS-PWM-FB-ZVS)和LLC諧振轉換器拓撲利用FRFET MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)實(shí)現了這些目標。LLC諧振轉換器通常用于較低功率應用，而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應用。這些拓撲具有以下優(yōu)勢：減少了開(kāi)關(guān)損耗;減少了EMI;相比準諧振拓撲減少了MOSFET應力;由于增加了開(kāi)關(guān)頻率，提高了功率密度，因而減小了散熱器尺寸和變壓器尺寸。

　　用于移相全橋PWM-ZVS轉換器和LLC諧振轉換器應用的MOSFET要求包括：具有較低tRR和QRR以及最佳軟度的快速軟恢復體二極管MOSFET，這能提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極管電壓尖峰，并增加可靠性;低QGD和QGD對QGS之比：在輕載下，將出現硬開(kāi)關(guān)，并且高CGD*dv/dt會(huì )引起擊穿;在關(guān)斷和導通期間，柵極內部較低的分布ESR對ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布有益;輕載下，低COSS可擴展ZVS開(kāi)關(guān)，此時(shí)ZVS開(kāi)關(guān)變?yōu)橛查_(kāi)關(guān)，低COSS將減少硬開(kāi)關(guān)損耗;該拓撲工作在高頻下，需要優(yōu)化的低CISS MOSFET.

　　以上應用推薦使用FRFET、UniFET II和SupreMOS MOSFET.常規MOSFET體二極管會(huì )引起失效。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET(FCH47N60NF)就適用于此拓撲，因為tRR和QRR已有改進(jìn)。另外，會(huì )引起失效的活躍二極管也已改進(jìn)。

　　離線(xiàn)式AC/DC

　　通常，AC電源經(jīng)整流輸入大電容濾波器，且從該電源抽取的電流為大振幅窄脈沖，該級形成了SMPS的前端。大振幅電流脈沖將產(chǎn)生諧波，而引起對其它設備的嚴重干擾，并減少可以獲得的最大功率。失真的線(xiàn)路電壓將引起電容器過(guò)熱、電介質(zhì)應力和絕緣過(guò)壓;失真的線(xiàn)路電流將增加配電損耗，并減少可用功率。利用功率因數校正，可以確保符合管理規范，減少因上述應力而導致的器件失效，并通過(guò)增加從電源獲得的最大功率，改進(jìn)器件效率。

　　功率因數校正是一種使輸入盡可能變成純阻性的方法。與典型的SMPS只有0.6到0.7的功率因數值相比，這非常令人滿(mǎn)意，因為電阻具有整功率因數。這使得配電系統能夠以最高效率運行。

　　功率因數控制升壓開(kāi)關(guān)的要求包括：

　　低QGD×RSP品質(zhì)因數。QGD和CGD會(huì )影響開(kāi)關(guān)速率，低CGD和QGD會(huì )減少開(kāi)關(guān)損耗，低RSP會(huì )減少傳導損耗。

　　對于硬開(kāi)關(guān)和ZVS開(kāi)關(guān)，低COSS將減少關(guān)斷損耗。

　　低CISS將減少柵極驅動(dòng)功率，因為PFC通常工作在100KHz以上的某個(gè)頻率。

　　高dv/dt抗擾能力以實(shí)現可靠運行。

　　如果需要MOSFET并聯(lián)，高柵極閾值電壓(VTHGS)(3~5V)可以提供幫助，并且其提供的抗擾性可經(jīng)受dv/dt狀況再次出現帶來(lái)的影響。

　　動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突變會(huì )導致柵極振蕩，而增加柵極電壓。這會(huì )影響到長(cháng)期的可靠性。

　　柵極ESR非常重要，因為高ESR會(huì )增加關(guān)斷損耗，尤其是在ZVS拓撲中。

　　針對這一應用，推薦使用UniFET、UniFET II、常規SuperFET和SupreMOS MOSFET.FCH76N60N是市場(chǎng)上采用TO-247封裝、具有最低RDS(ON)的超級結MOSFET之一。通過(guò)SupreMOS技術(shù)，設計工程師可以提高效率和功率密度。FCP190N60是最新加入到SuperFET II系列MOSFET的產(chǎn)品。相比SuperFET I MOSFET，RSP改善了1/3，使之成為離線(xiàn)AC-DC應用的理想選擇。

　　次級側同步整流：同步整流也被稱(chēng)為“有源”整流，它采用MOSFET替代二極管。同步整流用于提升整流效率。通常，二極管的壓降會(huì )在0.7V至1.5V之間變化，而在二極管中產(chǎn)生較高功率損耗。在低壓DC/DC轉換器中，該壓降非常顯著(zhù)，將導致效率下降。有時(shí)會(huì )使用肖特基整流器來(lái)代替硅二極管，但由于電壓升高，其正向壓降也將增加。在低壓轉換器中，肖特基整流無(wú)法提供足夠的效率，因而這些應用需要同步整流。

　　現代MOSFET的RSP已經(jīng)顯著(zhù)減小，并且MOSFET的動(dòng)態(tài)參數也已得到優(yōu)化。當二極管被替換為這些有源受控MOSFET，便可實(shí)現同步整流。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導通電阻，并且可以顯著(zhù)降低MOSFET的壓降，即便是在大電流下。相比二極管整流，這顯著(zhù)地提高了效率。同步整流不是硬開(kāi)關(guān)，它在穩態(tài)下具有零電壓轉換。在導通和關(guān)斷期間，MOSFET體二極管導通，使得MOSFET的壓降為負，并引起CISS增加。由于這種軟開(kāi)關(guān)，柵極恒壓(plateau)轉變?yōu)榱?，從而有效地減少了柵極電荷。

　　以下是對同步整流的某些主要要求：低RSP;低動(dòng)態(tài)寄生電容：這減少了柵極驅動(dòng)功率，因為同步整流電路通常工作在高頻下;低QRR和COSS減少了反向電流，當此拓撲工作在高開(kāi)關(guān)頻率下會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題，在高開(kāi)關(guān)頻率下，此反向電流充當了大漏電流;需要低tRR、QRR和軟體二極管來(lái)避免瞬時(shí)擊穿并降低開(kāi)關(guān)損耗。導通為零電壓開(kāi)關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后，體二極管再次導通，當次級電壓反向時(shí)，體二極管恢復，這將增加擊穿的風(fēng)險?；钴S二極管可能需要在每個(gè)MOSFET上跨接一個(gè)緩沖電路;低QGD/QGS比。

　　采用飛兆半導體PowerTrench技術(shù)，RSP、COSS、CRSS、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級有源整流。對于相同RDS(ON)，PowerTrench的晶圓尺寸大約減小了30%，RSP減少了30%，因而在同步整流中降低了傳導損耗。

　　有源OR-ing

　　最簡(jiǎn)單形式的OR-ing器件是一種二極管。當OR-ing二極管失效時(shí)，將通過(guò)不允許電流流入輸入電源來(lái)對其進(jìn)行保護。OR-ing二極管允許電流僅以一個(gè)方向流動(dòng)。它們用于隔離冗余電源，因而一個(gè)電源的失效不會(huì )影響整個(gè)系統。消除單點(diǎn)失效，允許系統使用剩余的冗余電源來(lái)保持運行。然而，實(shí)現這種隔離卻有難題。一旦該OR-ing二極管插入到電流路徑中，則會(huì )產(chǎn)生額外的功率損耗和效率降低。該功率損耗會(huì )導致OR-ing二極管發(fā)熱，因而需要增加散熱器，降低系統的功率密度。當二極管關(guān)斷時(shí)，其反向恢復會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題——該二極管必須具有軟開(kāi)關(guān)特性。為克服其中的一些問(wèn)題，已使用了肖特基二極管。這些二極管和p-n二極管之間的一個(gè)重要差異，就是減小的正向壓降和可忽略的反向恢復。普通硅二極管的壓降介于0.7至1.7V之間;肖特基二極管的正向電壓降在0.2至0.55V之間。雖然肖特基二極管在用作OR-ing二極管時(shí)，系統的傳導損耗降低，但肖特基二極管卻具有較大漏電流——這將帶來(lái)傳導損耗。該損耗低于硅二極管。

　　這個(gè)問(wèn)題的替代解決方案是使用功率MOSFET替代肖特基二極管。這引入了額外的MOSFET柵極驅動(dòng)器，增加了復雜性。MOSFET的RDSON必須非常小，從而該MOSFET的壓降比肖特基二極管的正向壓降低很多，這可稱(chēng)為有源OR-ing.現代低壓MOSFET的RDSON非常低——即便采用TO-220或D2PAK封裝，它也可以低至幾毫歐。飛兆半導體采用PQFN56封裝的FDS7650，對于30V MOSFET可以小到低于1毫歐。當OR-ing MOSFET導通時(shí)，它允許電流以任一方向流動(dòng)。在失效情況下，冗余電源將產(chǎn)生大電流，因而OR-ing MOSFET必須快速關(guān)斷。飛兆半導體的PowerTrench技術(shù)MOSFET也適用于這種應用。