功率元器件應用秘訣，采用專(zhuān)用MOSFET提高效率

　　自體二極體對效率影響甚巨

　　本文討論的快速自體二極體MOSFET，因自體二極體的離子壽命被壓縮，故減少tRR和QRR，讓MOSFET的自體與外延二極體極為相似。這種特性使此一MOSFET適用于各種不同應用的高頻逆變器。至于逆變器橋臂，二極體由于反向電流而被迫正向導通，更加突顯此特性的重要性。

　　相形之下，常規MOSFET的自體二極體一般反向恢復時(shí)間長(cháng)、QRR值高，若此自體二極體被迫導通，負載電流則改變方向，從二極體流向逆變器橋臂中的互補MOSFET；那么，在整個(gè)tRR期間，可從電源獲得大電流。這增加MOSFET中的功率耗散，并降低效率，尤其對太陽(yáng)能逆變器而言，效率至關(guān)重要，將不偏向採用此一設計。

　　更重要的是，活躍自體二極體還會(huì )引入暫態(tài)擊穿狀況，例如，當其在高dv/dt下恢復，米勒電容中的位移電流能對閘極充電，達到VTH以上，同時(shí)互補MOSFET正試圖導通。這可能引起匯流排電壓的暫態(tài)短路，增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此一現象，可在外部加碳化硅（SiC）或常規硅二極體，并以與MOSFET反向平行的方式進(jìn)行連接。因為MOSFET自體二極體的正向電壓低，必須加上蕭特基二極體（Schottky Diode）與MOSFET串聯(lián)。

　　此外，一個(gè)反向平行的SiC須跨接在此一MOSFET和蕭特基二極體的組合之上（圖1）。當MOSFET反向偏壓時(shí)，外部SiC二極體導通，串接的蕭特基二極體不會(huì )允許MOSFET自體二極體導通。這種架構在太陽(yáng)能逆變器中已變得非常普及，可以提高效率，但將增加成本。

　　圖1 以Ultra FRFET MOSFET（b）取代逆變器橋臂中失效的常規FET自體二極體（a）

　　要滿(mǎn)足上述所有應用，搭載快捷（Fairchild）FRFET技術(shù)的UniFET II高壓MOSFET功率元件，將是有效的解決方案。相較于UniFET MOSFET，由于RSP減小，UniFET II元件的裸晶尺寸也減小，并有助于改善自體二極體恢復的特性。

　　圖2顯示Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規UniFET MOSFET元件之間的二極體恢復比較。在這種情況下，QRR已經(jīng)從3，100nC減少到260nC，且二極體開(kāi)關(guān)損耗也顯著(zhù)降低。

　　圖2　Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規UniFET MOSFET的自體二極體恢復特性比較

　　圖3則顯示採用Ultra FRFET時(shí)，相較于標準的UniFET II MOSFET，約可減少75%的導通損耗；同時(shí)也減少導通延遲時(shí)間、電流和電壓振鈴，并消除串聯(lián)蕭特基二極體的傳導損耗。不僅如此，UniFET II還降低COSS，優(yōu)化開(kāi)關(guān)效率。圖4所示為Ultra FRFET MOSFET、標準MOSFET和SiC結構的效率比較。

　　圖3 標準MOSFET和具有相同裸晶尺寸的Ultra FRFET UniFET II MOSFET的導通效率比較

　　圖4 太陽(yáng)能逆變器中的Ultra FRFET元件、標準MOSFET和SiC解決方案的效率比較

　　不僅如此，特定應用MOSFET在其他電源管理設計中，也占有非常重要的地位，包括在SMPS、離線(xiàn)AC-DC、同步整流控制及取代主動(dòng)OR-ing二極體的應用解決方案，均可窺見(jiàn)蹤跡，以下將分別介紹。

提高SMPS功率密度　拓撲架構徹底翻新

　　藉由整合電路拓撲的改善與更低損耗功率元件，SMPS開(kāi)發(fā)商在提高功率密度、效率和可靠性方面，正進(jìn)行一場(chǎng)革命性的發(fā)展，包括相移（Phase-Shifted）、脈寬調變（PWM）、零電壓開(kāi)關(guān)、全橋和LLC諧振轉換器拓撲，均可利用FRFET MOSFET做為功率開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現這些目標。除LLC諧振轉換器常用于較低的功率應用外，其余拓撲皆用在較高功率。

　　這些拓撲具有以下的優(yōu)勢：減少開(kāi)關(guān)損耗、EMI，且相較于準諧振拓撲，減少MOSFET應力，由于提升開(kāi)關(guān)頻率，因而減小散熱器和變壓器尺寸，對提高功率密度大有幫助。對相移全橋PWM-ZVS轉換器和LLC諧振轉換器應用的MOSFET要求，則包括具較低tRR和QRR，以及最佳軟度的快速軟恢復體二極體MOSFET，以提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極體的電壓尖峰并增加可靠性。同時(shí)還要有低QGD和QGD/QGS比，因在輕負載下將出現硬開(kāi)關(guān)，且高CGD×dv/dt可能會(huì )引起擊穿。

　　由于零電壓開(kāi)關(guān)會(huì )變?yōu)橛查_(kāi)關(guān)，降低COSS可將零電壓開(kāi)關(guān)延伸到更輕負載，從而減少硬開(kāi)關(guān)損耗。此拓撲于高頻下運行，需要一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的低CISS MOSFET。接著(zhù)在關(guān)斷和導通期間，較低的分散式閘極內部ESR對于ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布是有益的。

　　針對以上應用要求，常規MOSFET自體二極體有時(shí)會(huì )引起失效，而SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET則相當適用于此一拓撲，因tRR和QRR，以及會(huì )引起失效的活躍二極體均有所改善。

　　導入PFC功能　AC-DC電源效率大增

　　另一方面，傳統AC電源經(jīng)整流后輸入大電容濾波器，從輸入提取的電流為狹窄的高振幅脈衝，這一級構成SMPS的前端。當高振幅電流脈衝產(chǎn)生諧波，將對其他設備造成嚴重干擾，此外，也減少可從電源獲得的最大功率。

　　由于失真AC電壓將使電容器過(guò)熱、電介質(zhì)應力和絕緣過(guò)壓，而失真電流也加劇配電損耗且浪費可用功率。為解決此一問(wèn)題，利用PFC功能方可確保符合監管規範，減少由上述應力而導致的元件失效，并拉高電源利用效率，改善元件性能。

　　採用PFC可使輸入端看起來(lái)更像一個(gè)電阻，因相較于典型的0.60.7的SMPS功率因數值，該電阻具有一單位功率因數（Unity Power Factor），促使配電系統能以最高效率運行。

　　至于對PFC升壓開(kāi)關(guān)的功能要求，首先是低QGD×RSP品質(zhì)因數，因QGD和CGD會(huì )影響開(kāi)關(guān)速率，同時(shí)也要降低CGD、QGD和RSP，以減少導通與開(kāi)關(guān)損耗。此外，還要具備硬開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)，使COSS減少來(lái)壓低關(guān)斷損耗；加上PFC通常在100KHz以上的頻率運行，亦要降低CISS減低閘極驅動(dòng)功率。

　　至于PFC運作的可靠度，則須仰賴(lài)高dv/dt抗擾性，若需要MOSFET并聯(lián)提供抗擾性，以承受dv/dt狀況的再次出現，還須採用高閘極閾值電壓（VTHGS）（35伏特）。

　　另外，PFC動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突然改變會(huì )導致閘極振盪，并增加閘極電壓，將影響長(cháng)期的可靠性，設計時(shí)須留意此一情形。因高ESR會(huì )增加關(guān)斷損耗，尤其在零電壓開(kāi)關(guān)拓撲中，故閘極ESR的控制相當重要。

　　改善電源壓降情形　同步整流方案崛起

　　同步整流也被稱(chēng)為主動(dòng)（Active）整流，其以MOSFET取代二極體，用以提升整流效率。典型二極體的電壓降大約會(huì )在0.71.5伏特之間，使得二極體中產(chǎn)生高的功率損耗。在低壓DC-DC轉換器中，此電壓降將非常顯著(zhù)，造成效率下降。有時(shí)以蕭特基整流器來(lái)代替硅二極體來(lái)改善；然而，因為當電壓升高時(shí)，它的正向電壓降也會(huì )增加；且在低壓轉換器中，蕭特基二級體整流也無(wú)法提供足夠效率，促進(jìn)同步整流方案興起。

　　現代MOSFET的RSP已大幅減少，且動(dòng)態(tài)參數也已被優(yōu)化。當這些主動(dòng)式的控制MOSFET替換掉二極體，就可啟動(dòng)同步整流。如今，MOSFET已可實(shí)現僅幾毫歐導通電阻，即使在大電流下亦可顯著(zhù)降低兩端的電壓降，相較于二極體整流，大幅度提高效率。

　　此外，同步整流不是硬開(kāi)關(guān)，在穩定狀態(tài)下具有零電壓轉換，且在導通和關(guān)斷期間，MOSFET自體二極體導通，使經(jīng)過(guò)MOSFET的壓降為負，增加CISS。由于這種軟開(kāi)關(guān)，閘極恆壓轉變?yōu)榱?，將可有效減少閘極電荷。

　　對同步整流的主要要求包括低RSP、低動(dòng)態(tài)寄生電容，藉此減少在高頻下運行的同步整流電路閘極驅動(dòng)功率。此外，還須具備低QRR和COSS以減少反向電流，當此一拓撲在高開(kāi)關(guān)頻率下運行時(shí)，會(huì )引發(fā)一個(gè)問(wèn)題，就是在高開(kāi)關(guān)頻率下，此反向電流將可充當高洩漏電流。

　　與此同時(shí)，為避免暫態(tài)擊穿及降低開(kāi)關(guān)損耗，還需要低tRR、QRR和軟性的自體二極體，且導通需為零電壓開(kāi)關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后，自體二極體再次導通，當次級電壓反轉時(shí)，自體二極體恢復，使得擊穿的風(fēng)險升高。對此，活躍二極體需要一個(gè)跨接MOSFET的緩衝電路，而QGD/QGS比也須具較低規格，方能用于二級側同步整流。

　　接替蕭特基二極體　MOSFET OR-ing更高效

　　至于形式最簡(jiǎn)單的OR-ing元件也是一種二極體，僅允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，故當其失效時(shí)，電流不會(huì )回流入電源端，可保護輸入電源。此類(lèi)二極體可用于隔離冗余電源，若一個(gè)電源失效，將不會(huì )對整個(gè)系統產(chǎn)生影響，只要移除單