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(jié)型晶體管(BJT)是僅有的功率開關(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(shù)器件，而IGBT則不一定。MOSFET是多數(shù)載流子器件，因而是高頻應(yīng)用的理想選擇。將直流電轉(zhuǎn)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電壓、功率定額、功率拓?fù)浜凸ぷ黝l率。IGBT通常用于200V及以上的應(yīng)用，而MOSFET可以用于從20V到1000V的應(yīng)用。雖然飛兆半導(dǎo)體公司擁有300V的IGBT，但MOSFET的開關(guān)頻率卻比IGBT高出許多。

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

　　其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應(yīng)用，包括易于安裝在家庭車庫和商業(yè)停車場的電動(dòng)汽車(EV)充電系統(tǒng)。這些EV充電系統(tǒng)將通過光伏(PV)太陽能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)運(yùn)行。壁掛式EV充電站必須實(shí)現(xiàn)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(jī)驅(qū)動(dòng)和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET，但PV太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET，如Ultra FRFET MOSFET和常規(guī)體二極管MOSFET.最近幾年，業(yè)界大量投資PV太陽能發(fā)電。大多數(shù)增長開始于住宅太陽能項(xiàng)目，但較大的商業(yè)項(xiàng)目正在出現(xiàn)：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)了巨大的市場增長。

　　正在普及的并網(wǎng)逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入現(xiàn)有公用電網(wǎng)的專用逆變器。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(jī)組或PV太陽能電池板。該逆變器也被稱為同步逆變器。僅當(dāng)連接至電網(wǎng)時(shí)，并網(wǎng)逆變器才會(huì)工作。今天市場上的逆變器采用了不同的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，取決于設(shè)計(jì)的權(quán)衡要求。獨(dú)立式逆變器采用不同設(shè)計(jì)，以按照整、滯后或超前功率因數(shù)供電。

　　對PV太陽能系統(tǒng)的市場需求早已存在，因?yàn)樘柲芸梢詭椭档透叻咫娏Τ杀?，能夠消除燃料成本的波?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(shè)定了目標(biāo)，要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述，結(jié)合美國政府的目標(biāo)，PV太陽能解決方案已經(jīng)成為一個(gè)不斷增長的市場。這帶來了對MOSFET器件不斷增長的需求。如果優(yōu)化不同拓?fù)涞腗OSFET器件，終端產(chǎn)品的解決方案可實(shí)現(xiàn)顯著的效率提升。

　　高開關(guān)頻率應(yīng)用需要以犧牲RDSON為代價(jià)來降低MOSFET的寄生電容，而低頻應(yīng)用卻要求以降低RDSON為最高優(yōu)先級。對于單端應(yīng)用，MOSFET體二極管的恢復(fù)并不重要，但對于雙端應(yīng)用卻非常重要，因?yàn)樗鼈冃枰蛅RR、QRR和更軟的體二級管恢復(fù)。在軟開關(guān)雙端應(yīng)用中，這些要求對于可靠性極其重要。在硬開關(guān)應(yīng)用中，隨著工作電壓增加，導(dǎo)通和關(guān)斷損耗也將增加。為減少關(guān)斷損耗，可以根據(jù)RDSON來優(yōu)化CRSS和COSS.

　　MOSFET支持零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)拓?fù)?，不過IGBT卻僅支持ZCS拓?fù)?。通常，IGBT用于大電流和低頻開關(guān)，而MOSFET則用于小電流和高頻開關(guān)?；旌夏Ｊ椒抡婀ぞ呖梢杂脕碓O(shè)計(jì)特定應(yīng)用的MOSFET.在硅和溝槽技術(shù)方面的進(jìn)展降低了導(dǎo)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(fù)性能。封裝技術(shù)也在這些特定應(yīng)用的MOSFET中發(fā)揮了作用。

　　逆變器系統(tǒng)

　　DC-AC逆變器廣泛用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS和綠色能源系統(tǒng)。通常，高電壓和大功率的系統(tǒng)使用IGBT，但對于低壓、中壓和高壓(12V至400V輸入直流總線)而言，通常使用MOSFET.在用于太陽能逆變器、UPS逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的高頻DC-AC逆變器中，MOSFET已獲得普及。在直流總線電壓大于400V的某些應(yīng)用中，高壓MOSFET被用于小功率應(yīng)用。MOSFET具有一個(gè)固有的開關(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(bǔ)MOSFET中帶來高開通損耗。在單開關(guān)或單端應(yīng)用(例如PFC、正激或反激轉(zhuǎn)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附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本的負(fù)擔(dān);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(shè)計(jì)。MOSFET是這些逆變器應(yīng)用的理想之選，因?yàn)樗鼈兛梢怨ぷ髟谳^高的開關(guān)頻率下。這能減少射頻干擾(RFI)，因?yàn)殚_關(guān)頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內(nèi)部流動(dòng)，從而消除了向外流動(dòng)。

　　針對逆變器應(yīng)用的MOSFET的要求包括：

　　特定的導(dǎo)通電阻(RSP)應(yīng)該較小，來減少導(dǎo)通損耗。器件到器件的RDSON變化應(yīng)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(dāng)晶圓尺寸減小時(shí)，可以使用非箝位感應(yīng)開關(guān)(UIS)。應(yīng)該采用良好的UIS來設(shè)計(jì)MOSFET單元結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(shù)(FOM)可以表示為RSP×RthJC/UIS.3.良好的安全工作區(qū)(SOA)和較低的跨導(dǎo)。

　　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?yàn)檫@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(yīng)用中工作頻率已較低，但降低COSS有助于減少開關(guān)損耗。同時(shí)也允許稍微增大COSS.

　　開關(guān)期間的COSS和CGD突變會(huì)引起柵極振蕩和較高過沖，長時(shí)間后將有可能損壞柵極。這種情況下，高源漏dv/dt會(huì)成為問題。

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

　　體二極管恢復(fù)：需要具有低反向恢復(fù)電荷(QRR)和低反向恢復(fù)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(yīng)大于1.這將減小體二極管恢復(fù)dv/dt及逆變器直通的可能性。活躍的體二極管會(huì)引起擊穿和高壓尖峰問題。

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

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

　　通過在晶圓上使用更多的絲焊來減少共源電感。

　　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(dǎo)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(yīng)用的高頻逆變器(包括太陽能逆變器)的極佳選擇。至于逆變器橋臂，二極管由于無功電流而被迫正向?qū)?，這使得它的特性更為重要。常規(guī)MOSFET體二極管通常具有長反向恢復(fù)時(shí)間和高QRR.如果在負(fù)載電流從二極管向逆變器橋臂的互補(bǔ)MOSFET轉(zhuǎn)換的過程中，體二極管被迫正向?qū)?，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(dāng)其在高dv/dt下恢復(fù)，米勒電容中的位移電流能夠?qū)艠O充電到VTH以上，同時(shí)互補(bǔ)MOSFET會(huì)試圖導(dǎo)通。這可能引起總線電壓的瞬時(shí)短路，增加功率耗散并導(dǎo)致MOSFET失效。為避免此現(xiàn)象，可連接外部的SiC或常規(guī)硅二極管與MOSFET反向并聯(lián)。因?yàn)镸OSFET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(dāng)MOSFET反偏時(shí)，外部SiC二極管導(dǎo)通，并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導(dǎo)通。這種方案在太陽能逆變器中已經(jīng)變得非常普及，可以提高效率，但卻增加了成本。

　　飛兆半導(dǎo)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(yīng)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(fù)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(dá)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，并且二極管開關(guān)損耗也顯著降低。

　　導(dǎo)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(dǎo)損耗也被消除。相比UniFET MOSFET，UniFET II器件還具有較低的COSS，因而開關(guān)損耗被減小。

　　電池供電離線UPS逆變器

在中壓應(yīng)用