功率元器件應用秘訣，采用專(zhuān)用MOSFET提高效率

　　具較高開(kāi)關(guān)頻率　MOSFET應用范圍優(yōu)于IGBT

　　由于電力需求日益增長(cháng)，且發(fā)電成本也同步上升，對公家事業(yè)而言，政府機構要求減少有害氣體排放量的壓力也在增加，在在迫使設計人員須提高設備電源效率和性能。尤其各國政府機構對最低電源轉換效率的規範，更讓元件設計人員須根據特殊拓撲的變化，開(kāi)發(fā)特定應用MOSFET，因此元件參數在所有拓撲中，均扮演改善電路效率和性能的重要角色。

　　在1970年代晚期推出MOSFET前，閘流體（Thyristor）和雙極型接面電晶體（Bipolar Junction Transistors， BJT）是僅有的功率開(kāi)關(guān)。BJT是電流受控元件，而MOSFET與在1980年代面世的絕緣閘雙極電晶體（IGBT）則同為電壓受控元件。

　　然而，MOSFET是正溫度系數元件，但IGBT不一定是正溫度系數元件；且MOSFET為多數載流子元件，成為高頻應用的理想選擇，如將DC轉換為AC的逆變器，可以在超音波的頻率下工作，以避免音頻干擾；相較于IGBT，MOSFET還具有高抗雪崩能力。

　　在選擇MOSFET時(shí)，工作頻率是一項重要的考量因素，與同等的MOSFET相比，IGBT具有較低的箝位能力。當在IGBT和MOSFET之間選擇時(shí)，必須考慮逆變器輸入的DC匯流排電壓、額定功率、功率拓撲和工作頻率。IGBT通常用于200伏特（V）及以上的應用；而MOSFET可用于從201000伏特的應用。市面上業(yè)者雖可提供300伏特的IGBT，但MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率比IGBT高得多，且較新型MOSFET還具有更低的導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，逐漸在高達600伏特的中等電壓應用取代IGBT。

　　環(huán)保節能意識抬頭　特定應用MOSFET需求大增

　　對替代能源電力系統、UPS、開(kāi)關(guān)電源和其他工業(yè)系統的設計工程師而言，由于須不斷設法改進(jìn)系統輕載和滿(mǎn)載時(shí)的電源轉換效率、功率密度、可靠性和動(dòng)態(tài)性能，故對效能優(yōu)異的特定應用MOSFET需求殷切。其中，風(fēng)能是近來(lái)增長(cháng)最快的能源之一，風(fēng)力機翼片控制中須使用大量的MOSFET元件，藉著(zhù)滿(mǎn)足不同應用需求，特定應用MOSFET即可改善上述所需的功能表現。

　　不久的將來(lái)，其他需要新型和特定MOSFET的應用還包括易于安裝在家庭車(chē)庫，或商業(yè)停車(chē)場(chǎng)的電動(dòng)車(chē)充電系統。這些充電系統將通過(guò)太陽(yáng)能系統和公用電網(wǎng)（Utility Grid）來(lái)運行。由于壁掛式電動(dòng)車(chē)充電站須具快速充電能力，且建置太陽(yáng)能電池充電站也將變得愈來(lái)愈重要，均須導入可支援高壓的特定應用MOSFET。

　　太陽(yáng)能逆變器可能需要不同的MOSFET，例如Ultra FRFET MOSFET和常規體（Regular Body）二極體MOSFET；至于叁相馬達驅動(dòng)和UPS逆變器則需相同類(lèi)型的MOSFET。近來(lái)，業(yè)界大量投資太陽(yáng)能發(fā)電，大多數增長(cháng)始于住宅太陽(yáng)能計畫(huà)，隨后較大規模的商業(yè)專(zhuān)案也陸續出現，而多晶硅價(jià)格已從2007年的每公斤400美元跌落至2009年的每公斤70美元，且仍持續降價(jià)，也將驅動(dòng)市場(chǎng)顯著(zhù)增長(cháng)。

　　事實(shí)上，太陽(yáng)能系統對特定應用MOSFET的需求早已存在。由于太陽(yáng)能可幫助降低峰值功率的成本，避免發(fā)電成本隨燃料價(jià)格波動(dòng)而增加，并可為公用電網(wǎng)提供更多的電力，成為取之不盡的綠色能源；加上美國政府已設定目標，要求80%的國家電力要來(lái)自綠色能源，在在帶動(dòng)對特定應用MOSFET元件不斷增長(cháng)的需求。如果將不同拓撲的MOSFET元件優(yōu)化，可顯著(zhù)提升最終產(chǎn)品解決方案的效率。

　　與此同時(shí)，逐漸普及的市電并聯(lián)（Grid-tie）逆變器係一種將DC轉換為AC注入現有公用電網(wǎng)的專(zhuān)用逆變器。DC電源由可再生能源產(chǎn)生，如風(fēng)力機組或太陽(yáng)能電池板，該逆變器也被稱(chēng)為電網(wǎng)交互（Grid Interactive）或同步逆變器，只有在連接至電網(wǎng)時(shí)，市電并聯(lián)逆變器才會(huì )工作。目前市場(chǎng)上的逆變器採用各種拓撲設計，視功能要求的折衷權衡而定，獨立操作的逆變器也以特定設計，提供功率因數為1，或延遲、超前的電源。

　　儘管特定應用MOSFET正快速興起，但其訴求高開(kāi)關(guān)頻率須降低MOSFET的寄生電容，此一做法的代價(jià)將犧牲導通電阻（Rds（on））。而低頻應用，則要求以降低Rds（on）做為最優(yōu)先考量。對于單端型應用，MOSFET自體二極體恢復（Body Diode Recovery）特性并不重要，但對雙端型應用則變得非常重要，因其要求低反向恢復電荷（Reverse Recovery Charge， QRR）和低反向恢復時(shí)間（Reverse Recovery Time， tRR）和更軟的自體二極體恢復。在軟開(kāi)關(guān)雙端應用中，這些要求對可靠性極其重要；而硬開(kāi)關(guān)應用因工作電壓增加，導通和關(guān)斷損耗也將提高，為減少關(guān)斷損耗，可根據Rds（on）來(lái)優(yōu)化CRSS和COSS。

　　MOSFET支援零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）拓撲；然而IGBT僅支持ZCS拓撲，故一般而言，IGBT應用于大電流和低頻開(kāi)關(guān)，MOSFET用于小電流和高頻開(kāi)關(guān)；而透過(guò)混合模式模擬工具則可用來(lái)設計特定應用MOSFET。

　　事實(shí)上，隨著(zhù)硅、溝槽技術(shù)迭有進(jìn)展，特定應用MOSFET的導通電阻及其他動(dòng)態(tài)寄生電容均已大幅降低；同時(shí)，更先進(jìn)的封裝技術(shù)也對改善特定應用MOSFET的自體二極體恢復性能，發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。

　　MOSFET適用高/低頻逆變器

　　以DC-AC逆變器應用為例，其廣泛應用于馬達驅動(dòng)、UPS和綠色能源系統，通常高電壓和大功率系統使用IGBT；但對LV、MV、HV（12400伏特輸入DC匯流排），通常使用MOSFET。在太陽(yáng)能、UPS和馬達驅動(dòng)的高頻DC-AC逆變器領(lǐng)域，MOSFET已相當普及。

　　在某些DC匯流排電壓大于400伏特的情況下，會(huì )採用HV MOSFET；至于用在低功率應用上，因MOSFET具有一個(gè)內在的自體二極體，其開(kāi)關(guān)性能很差，通常會(huì )在逆變器橋臂互補MOSFET中帶來(lái)高導通損耗。不過(guò)，在單開(kāi)關(guān)或單端型應用中，如功率因數校正（PFC）、正向或返馳式（Flyback）轉換器，自體二極體不是正向偏壓，可忽略它的存在。

　　由于低載波頻率逆變器的負擔是附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本；高載波頻率逆變器的優(yōu)勢是較小、較低成本的低通濾波器設計。MOSFET可通用在這些逆變器裡，因可在較高的開(kāi)關(guān)頻率下工作，此即減少射頻干擾（Radio-Frequency Interference， RFI），且因開(kāi)關(guān)頻率電流成分在逆變器和輸出濾波器內流轉，從而消除向外的流動(dòng)。

　　逆變器強調安全高效率　MOSFET須面面俱到

　　逆變器內建的MOSFET要求降低導通損耗，導致元件到元件之間的Rds（on）變化也須做到更小。此舉有兩個(gè)主要目的，首先在逆變器輸出端的DC成分較少，且此一Rds（on）可用于電流感測，以控制異常狀況（主要是在低壓逆變器中）；另外就是對相同的Rds（on），低導通電阻可縮小裸晶尺寸，從而降低成本。

　　當裸晶尺寸縮小時(shí)，還可進(jìn)一步使用非箝位感應開(kāi)關(guān)（Unclamped Inductive Switching， UIS）來(lái)設計MOSFET單元結構；相較于平面MOSFET，在相同的裸晶尺寸條件下，現代溝槽MOSFET具有良好的UIS。而薄裸晶減小熱阻（Thermal Resistance， RthJC），在這種情況下，較低的品質(zhì)因數（FOM）可以公式1表示：

　　RSP×RthJC/UIS.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。公式1

　　對逆變器而言，MOSFET還須擁有良好的安全工作區（Safe Operating Area， SOA）和較低的跨導。同時(shí)，逆變器會(huì )產(chǎn)生少量的閘漏電容（Gate-to-drain Capacitance， CGD）（米勒電荷），但低CGD/CGS比是必要的，可降低擊穿的機率，且適度提高CGD可幫助減少電磁干擾（EMI），而低CGD則增加dv/dt，并因此加劇EMI。這些逆變器不在高頻下工作，而是處于中頻狀態(tài)，故可讓閘極ESR增加少許，并可允許稍高的CGD和CGS。

　　此外，MOSFET也要降低COSS減少開(kāi)關(guān)損耗，但開(kāi)關(guān)期間的COSS和CGD突變會(huì )引起閘極振盪和高過(guò)衝，長(cháng)時(shí)間可能損壞閘級。這種情況下，高源漏dv/dt會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題。若藉由超過(guò)3伏特的高閘極閾值電壓（VTH），則可實(shí)現更好的抗噪性和并聯(lián)效益。

　　必須注意的是，逆變器MOSFET在某些情況下，需要高脈衝漏極電流（IDM）能力，以提供高短路電流的抗擾度，高輸出濾波器的充電電流，以及高馬達啟動(dòng)電流。另外，藉著(zhù)在裸晶上使用更多的接合絲焊來(lái)減少MOSFET的共源極電感。

　　最后則是擁有自體二極體恢復能力，MOSFET須具低QRR和tRR，且更軟、更快的自體二極體。同時(shí)，軟度因數（Softness Factor）S（Tb/Ta）應該大于1。如此一來(lái)，將可減小二極體恢復、dv/dt及逆變器的擊穿可能性；反過(guò)來(lái)說(shuō)，活躍（Snappy）自體二極體會(huì )引起擊穿和高電壓尖峰脈