利用PowerTrench MOSFET應對更高功率密度的新挑戰(zhàn)

公式4

開關上的電壓尖刺

把有害電壓尖刺降至最小的一般原則是采用短而厚的電路板以及最小的電流回路。然而，由于尺寸和成本的限制，做到這些并不容易。有時，設計人員必需考慮到機械結構的問題，如散熱器和風扇；有時鑒于成本限制因素，不得不使用單面印制電路板。緩沖電路可作為一種可行的替代方案，用來在最大額定漏源電壓范圍內管理電壓尖刺。這種情況下，額外的功耗是無法避免的。此外，輕載下緩沖電路本身產生的功耗也不可忽視。除了電路板參數之外，器件的特性也對電壓尖刺電平有影響。在同步整流中，一個主要的器件相關參數是反向恢復期間的體二極管軟度因子（softness）?；旧?，二極管的反向恢復特性是由設計決定的。有好幾個控制輸入對反向恢復產生影響，如結溫、di/dt和正向電流水平。但是，當條件固定時，二極管總是表現出相同的行為。因此，器件的評估結果對評測系統(tǒng)的運作情況非常有用。圖10所示為兩個不同器件（但有極其相似的額定值）的反向恢復波形。

在反向恢復電流波形中，從零到峰值反向電流的這段時間被稱為ta。tb則定義為從峰值回到零的時間。軟度因子定義為tb/ta。一個軟器件的軟度因子大于1，而當其軟度因子小于1時，該器件被認為是“snappy（活躍的）”。從圖10可看出，反向恢復期間snappy二極管的峰值電壓較大。當所有條件都相同時，snappy二極管的電壓尖刺總是比較高，因此會在緩沖電路中造成額外的損耗。輕載條件下，這一點可能比把導通阻抗RDS(on)減小1毫歐還要來得重要。圖11所示為諧振頻率為400kHz的500W PSFB DC-DC轉換器中軟器件與snappy器件的工作波形。軟器件的峰值電壓比snappy器件的小10%，從而可使緩沖電路的功耗降低30%，系統(tǒng)效率提高0.5%。盡管軟器件的RDS(on)比snappy器件的要高25%，但在20%負載條件下，二者的效率分別為94.81%與94.29%。滿載下兩個器件的效率相同。

總結

為同步整流創(chuàng)建更高效的電源開關，低RDS(on)不是唯一的要求。隨著輕載效率的重要性增強，柵極驅動損耗和緩沖電路損耗變?yōu)槭种匾膿p耗因素。因此，低QSYNC和軟二極管成為獲得更高同步整流效率的至關重要的特性。不過，RDS(ON)仍然是應用的關鍵參數。圖12所示為帶同步整流的800W PSFB中，在不同負載和不同器件條件下，不同元件的相關功耗。由于在10%負載條件下的驅動損耗和輸出電容性損耗更低，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的總功耗比3.0毫歐競爭產品減小43%。此外，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的功耗主要源于滿負載條件下的傳導損耗，因此其功耗比4.7毫歐競爭產品的更低。從圖12總結的損耗分析可明顯看出，由于3.6毫歐PowerTrench MOSFET進行了設計優(yōu)化，故可以大幅降低滿載和輕載條件下的功耗。

飛兆半導體已推出新的PowerTrench功率MOSFET系列。這些器件兼具更小的QSYNCH和軟反向恢復固有體二極管性能及快速開關等優(yōu)勢，旨在讓整流應用實現更高的效率。由于柵極電荷和輸出電容存儲能量的減少，開關效率得以提高，驅動和輸出電容性損耗得以降低。PowerTrench MOSFET的這些優(yōu)點可幫助設計人員顯著提高系統(tǒng)效率。

圖1 二極管整流和同步整流

圖2 傳統(tǒng)溝槽柵MOSFET

圖3 底部有厚氧化層的溝槽MOSFET

圖4 增加了屏蔽電極的溝槽MOSFET

圖5 同步整流中功率MOSFET的波形

圖6 QSYNC的測量

圖7 QSYNC的定義

圖8 100V柵-源電容/3.6毫歐PowerTrench MOSFET與競爭產品的比較

圖9 不同輸出負載條件下，損耗比(驅動損耗/傳導損耗)的比較

表1：DUT的關鍵規(guī)格比較

圖10 不同軟度因子的反向恢復波形

圖11 500W PSFB DC-DC轉換器中功率MOSFET的峰值漏-源電壓，軟器件（左），snappy器件（右）軟體二極管的另一個優(yōu)點是它能夠使用額定擊穿電壓較低的器件。由于單位面積的導通阻抗與擊穿電壓成比例，故它還能降低傳導損耗。

圖12 800W同步整流電路的損耗分析