高壓場(chǎng)效應管實(shí)現節能-KIA MOS管

高壓場(chǎng)效應管

高壓金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）技術(shù)在過(guò)去幾年中經(jīng)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(wèn)題，并實(shí)現效率最大化。經(jīng)驗證明，采用新型的MOSFET器件取代舊式MOSFET，除簡(jiǎn)單地導通電阻上的差異之外，更重要的是，還能實(shí)現更高的電流強度與更快的切換速度以及其他優(yōu)越性能。

高壓場(chǎng)效應管-技術(shù)

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(shí)，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(zhù)變化會(huì )通過(guò)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(guān)注導通電阻，可能會(huì )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(shí)，這有著(zhù)進(jìn)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(zhù)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(guān)鍵參數

對于任何半導體器件來(lái)說(shuō)，結溫度(TI)都是一個(gè)關(guān)鍵參數。一旦超過(guò)了器件的TI(max)，器件將會(huì )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(shí)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(gè)因素：周?chē)h(huán)境溫度Ta，功率耗散Pd與結至環(huán)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(huán)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(gè)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(huì )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(guān)。這種表示形式更常見(jiàn)于絕緣柵門(mén)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(méi)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(guò)提高壽命時(shí)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(dòng)的不間斷電源（UPS）或一些鎮流器應用，改進(jìn)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(guān)鍵是設計合適的柵極驅動(dòng)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(guān)鍵是結至環(huán)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(guān)。RΦCS是管殼至匯點(diǎn)（case-to-sink）熱阻，與熱界面及電隔離有關(guān)，是用戶(hù)參數。RΦSA匯點(diǎn)至環(huán)境熱阻，為基本的散熱與空氣流動(dòng)。

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(diǎn)的熱阻。通常提供節至環(huán)境的熱阻，但這是假設沒(méi)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(diǎn)及匯點(diǎn)至環(huán)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(gè)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?jīng)Q定的，因此低熱阻的影響明顯。

因此，選擇正確的器件實(shí)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(gè)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(diǎn)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(jìn)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(yōu)勢。一般而言，SuperFET器件在RDS(on)要求為0.5～1Ω之時(shí)優(yōu)勢最大。而SuperMOS在RDS(on)低于0.5Ω時(shí)優(yōu)勢明顯。這一差異又是由于熱阻的作用。

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