為你的應(yīng)用選擇合適的高壓MOSFET

高電壓MOSFET技術(shù)在過去幾年中經(jīng)歷了很大變化，給電源工程師帶來了不少選擇。只要提供有關(guān)不同技術(shù)的使用指南，就可以幫助工程師選擇合適的部件以達(dá)成其應(yīng)用的效率和成本目標(biāo)。了解不同MOSFET部件的細(xì)微差別及不同開關(guān)電路中的應(yīng)力，能夠幫助工程師避免諸多問題。本文除介紹簡單的導(dǎo)通阻抗RDS(on) 以及其它MOSFET相關(guān)元素之外，并會(huì)探討更高電流密度與更快開關(guān)速度及的意義，提供使用更先進(jìn)的MOSFET取代舊型MOSFET的經(jīng)驗(yàn)法則，并探討在設(shè)計(jì)中利用新型MOSFET來獲得更低RDS(on) 與更低閘極電荷的指引。

　　高電

　　壓MOSFET部件采用兩種基本制程技術(shù)：一種是比較傳統(tǒng)的平面制程，如飛兆半導(dǎo)體的QFET UniFET。另一種是較新的電荷平衡技術(shù)。平面制程非常穩(wěn)定和耐用，但是對(duì)于確定的活動(dòng)區(qū)(active area)與崩潰電壓，其導(dǎo)通阻抗RDS(on)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電荷平衡技術(shù)(如飛兆半導(dǎo)體的SuperFET以及SupreMOS MOSFET)的RDS(on)。對(duì)于特定的RDS(on)，活動(dòng)區(qū)大小的顯著差異會(huì)通過輸出電容與閘極電荷影響到MOSFET組件的熱阻與開關(guān)速度等其它特性。圖1所示為這三種制程技術(shù)的部份區(qū)別。

　　在特定崩潰電壓與尺寸條件下，若傳統(tǒng)MOSFET的RDS(on)為1Ω，最新的電荷平衡型部件(如飛兆半導(dǎo)體的SupreMOS MOSFET)的RDS(on)只有不到0.25Ω。如果僅僅關(guān)注RDS(on)，可能會(huì)誤認(rèn)為，可以在現(xiàn)有應(yīng)用中采用傳統(tǒng)部件四份之一大小的MOSFET部件。這種想法是錯(cuò)誤的，因?yàn)楫?dāng)裸晶(die)尺寸本身更小時(shí)，它的熱阻就會(huì)更高。因此，當(dāng)你認(rèn)識(shí)到MOSFET絕不僅僅是一個(gè)由RDS(on)表征的活動(dòng)區(qū)，上述含義得到進(jìn)一步驗(yàn)證。它還存在被稱之為“邊緣終端 (edge terminations)”的邊緣環(huán)區(qū)，旨在防止部件出現(xiàn)裸晶邊緣的電壓崩潰，而讓部件在活動(dòng)區(qū)崩潰。對(duì)于更小的MOSFET，特別是對(duì)于高電壓部件，該邊緣區(qū)可以大于活動(dòng)區(qū)，如圖2所示。雖然邊緣區(qū)對(duì)MOSFET的RDS(on) 沒有什么貢獻(xiàn)，但它有利于接面到管殼的熱阻RэJC。因此，當(dāng)RDS較高時(shí)，具有非常小的活動(dòng)區(qū)并不能顯著降低MOSFET的整體成本。

　　要了解這些差異，最好先了解一些適用于所有半導(dǎo)體部件的基本公式。對(duì)于任何半導(dǎo)體部件來說，接面溫度(Tj)都是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。一旦超過最大接面溫度Tjmax ，組件就會(huì)失效。在較高的接面溫度下，RDS(on)較高，寄生二極管的反向恢復(fù)性能較差，從而導(dǎo)致較高的功率損耗。因此，保持低Tj 有助于提高系統(tǒng)的效率。了解這些影響因素并能夠計(jì)算出接面溫度是極有幫助的。接面溫度可由算式1計(jì)算：

　　● Tj = Ta+Pd*RэJA 算式1

　　算式1包含了三個(gè)主要因素：周圍環(huán)境溫度Ta，功耗Pd，以及接面至環(huán)境(junction-to-ambient)熱阻RэJA,。Pd包括部件的傳導(dǎo)損耗與開關(guān)損耗。

　　這可由算式2計(jì)算：

　　● Pd=D*RDS(on)*ID2+fsw*(Eon+Eoff) 算式 2

　　算式2中第一項(xiàng)代表的傳導(dǎo)損耗很簡單，其中D是工作周期，ID是泄極電流，RDS(on)是泄極至源極阻抗，它也是電流與溫度的函數(shù)。用戶應(yīng)該查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)中關(guān)于適用于本應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境的、在近似接面溫度與泄極電流條件下的具體值，以獲得RDS(on)的近似值。D、ID與RDS(on)的準(zhǔn)確數(shù)值常常很難獲得，所以工程師往往選擇合理值的上限來進(jìn)行第一次計(jì)算。例如，0.3左右的D，Tjmax下的RDS(on)，以及一般在最壞情況(即低線輸入電壓和最大負(fù)載)下計(jì)算得到的Id，就是一組很好的初始值。單獨(dú)看上述數(shù)據(jù)，也許有人會(huì)認(rèn)為只需要考慮一個(gè)參數(shù)RDS(on)，但是為了得到更低的RDS(on)，通常需要一個(gè)更大的裸晶，而這會(huì)影響到開關(guān)損耗和寄生二極管的恢復(fù)性能。

　　功耗公式的第二部份與開關(guān)損耗有關(guān)。這種表示形式更常見于IGBT，但fsw*(Eon+Eoff) 則能夠更具體地描述功率損耗。在不同電路情況下，可能沒有導(dǎo)通損耗(Eon)或關(guān)斷損耗(Eoff)，或者是導(dǎo)通損耗或關(guān)斷損耗非常低。對(duì)于MOSFET，這些損耗受到開關(guān)速度與恢復(fù)二極管的影響。在平面型MOSFET中，通過壽命控制來提高寄生二極管的性能比在電荷平衡型部件中更為容易。因此，如果你的應(yīng)用需要MOSFET中的寄生二極管導(dǎo)通，例如，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的UPS和一些鎮(zhèn)流器應(yīng)用，采用一個(gè)寄生二極管特性更佳的的MOSFET比具有最低RDS(on)的MOSFET效果更好。最后，這些損耗要乘以開關(guān)頻率(fsw)，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的閘極驅(qū)動(dòng)電路，而MOSFET的輸入電容是該設(shè)計(jì)中的重要因素。