MOSFET選擇策略詳解

中，飛兆半導體的PowerTrench MOSFET技術是針對此類逆變器的不錯的解決方案。

　　相比于相同MOSFET，其開通損耗也降低了約20%，如圖5所示。該體二極管具有較低的tRR和QRR.根據表1，低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性。這種MOSFET技術支持離線UPS逆變器。

　　開關電源市場

　　通過結合改進的電源電路拓撲和概念與改進的低損耗功率器件，開關電源行業(yè)在提高功率密度、效率和可靠性方面，正在經歷革命性的發(fā)展。移相-脈寬調制-零電壓開關-全橋(PS-PWM-FB-ZVS)和LLC諧振轉換器拓撲利用FRFET MOSFET作為功率開關實現(xiàn)了這些目標。LLC諧振轉換器通常用于較低功率應用，而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應用。這些拓撲具有以下優(yōu)勢：減少了開關損耗;減少了EMI;相比準諧振拓撲減少了MOSFET應力;由于增加了開關頻率，提高了功率密度，因而減小了散熱器尺寸和變壓器尺寸。

　　用于移相全橋PWM-ZVS轉換器和LLC諧振轉換器應用的MOSFET要求包括：具有較低tRR和QRR以及最佳軟度的快速軟恢復體二極管MOSFET，這能提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極管電壓尖峰，并增加可靠性;低QGD和QGD對QGS之比：在輕載下，將出現(xiàn)硬開關，并且高CGD*dv/dt會引起擊穿;在關斷和導通期間，柵極內部較低的分布ESR對ZVS關斷和不均勻電流分布有益;輕載下，低COSS可擴展ZVS開關，此時ZVS開關變?yōu)橛查_關，低COSS將減少硬開關損耗;該拓撲工作在高頻下，需要優(yōu)化的低CISS MOSFET.

　　以上應用推薦使用FRFET、UniFET II和SupreMOS MOSFET.常規(guī)MOSFET體二極管會引起失效。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET(FCH47N60NF)就適用于此拓撲，因為tRR和QRR已有改進。另外，會引起失效的活躍二極管也已改進。

　　離線式AC/DC

　　通常，AC電源經整流輸入大電容濾波器，且從該電源抽取的電流為大振幅窄脈沖，該級形成了SMPS的前端。大振幅電流脈沖將產生諧波，而引起對其它設備的嚴重干擾，并減少可以獲得的最大功率。失真的線路電壓將引起電容器過熱、電介質應力和絕緣過壓;失真的線路電流將增加配電損耗，并減少可用功率。利用功率因數(shù)校正，可以確保符合管理規(guī)范，減少因上述應力而導致的器件失效，并通過增加從電源獲得的最大功率，改進器件效率。

　　功率因數(shù)校正是一種使輸入盡可能變成純阻性的方法。與典型的SMPS只有0.6到0.7的功率因數(shù)值相比，這非常令人滿意，因為電阻具有整功率因數(shù)。這使得配電系統(tǒng)能夠以最高效率運行。

　　功率因數(shù)控制升壓開關的要求包括：

　　低QGD×RSP品質因數(shù)。QGD和CGD會影響開關速率，低CGD和QGD會減少開關損耗，低RSP會減少傳導損耗。

　　對于硬開關和ZVS開關，低COSS將減少關斷損耗。

　　低CISS將減少柵極驅動功率，因為PFC通常工作在100KHz以上的某個頻率。

　　高dv/dt抗擾能力以實現(xiàn)可靠運行。

　　如果需要MOSFET并聯(lián)，高柵極閾值電壓(VTHGS)(3~5V)可以提供幫助，并且其提供的抗擾性可經受dv/dt狀況再次出現(xiàn)帶來的影響。

　　動態(tài)開關期間，MOSFET寄生電容的突變會導致柵極振蕩，而增加柵極電壓。這會影響到長期的可靠性。

　　柵極ESR非常重要，因為高ESR會增加關斷損耗，尤其是在ZVS拓撲中。

　　針對這一應用，推薦使用UniFET、UniFET II、常規(guī)SuperFET和SupreMOS MOSFET.FCH76N60N是市場上采用TO-247封裝、具有最低RDS(ON)的超級結MOSFET之一。通過SupreMOS技術，設計工程師可以提高效率和功率密度。FCP190N60是最新加入到SuperFET II系列MOSFET的產品。相比SuperFET I MOSFET，RSP改善了1/3，使之成為離線AC-DC應用的理想選擇。

　　次級側同步整流：同步整流也被稱為“有源”整流，它采用MOSFET替代二極管。同步整流用于提升整流效率。通常，二極管的壓降會在0.7V至1.5V之間變化，而在二極管中產生較高功率損耗。在低壓DC/DC轉換器中，該壓降非常顯著，將導致效率下降。有時會使用肖特基整流器來代替硅二極管，但由于電壓升高，其正向壓降也將增加。在低壓轉換器中，肖特基整流無法提供足夠的效率，因而這些應用需要同步整流。

　　現(xiàn)代MOSFET的RSP已經顯著減小，并且MOSFET的動態(tài)參數(shù)也已得到優(yōu)化。當二極管被替換為這些有源受控MOSFET，便可實現(xiàn)同步整流。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導通電阻，并且可以顯著降低MOSFET的壓降，即便是在大電流下。相比二極管整流，這顯著地提高了效率。同步整流不是硬開關，它在穩(wěn)態(tài)下具有零電壓轉換。在導通和關斷期間，MOSFET體二極管導通，使得MOSFET的壓降為負，并引起CISS增加。由于這種軟開關，柵極恒壓(plateau)轉變?yōu)榱悖瑥亩行У販p少了柵極電荷。

　　以下是對同步整流的某些主要要求：低RSP;低動態(tài)寄生電容：這減少了柵極驅動功率，因為同步整流電路通常工作在高頻下;低QRR和COSS減少了反向電流，當此拓撲工作在高開關頻率下會成為一個問題，在高開關頻率下，此反向電流充當了大漏電流;需要低tRR、QRR和軟體二極管來避免瞬時擊穿并降低開關損耗。導通為零電壓開關。在MOSFET通道關斷后，體二極管再次導通，當次級電壓反向時，體二極管恢復，這將增加擊穿的風險?；钴S二極管可能需要在每個MOSFET上跨接一個緩沖電路;低QGD/QGS比。

　　采用飛兆半導體PowerTrench技術，RSP、COSS、CRSS、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級有源整流。對于相同RDS(ON)，PowerTrench的晶圓尺寸大約減小了30%，RSP減少了30%，因而在同步整流中降低了傳導損耗。

　　有源OR-ing

　　最簡單形式的OR-ing器件是一種二極管。當OR-ing二極管失效時，將通過不允許電流流入輸入電源來對其進行保護。OR-ing二極管允許電流僅以一個方向流動。它們用于隔離冗余電源，因而一個電源的失效不會影響整個系統(tǒng)。消除單點失效，允許系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來保持運行。然而，實現(xiàn)這種隔離卻有難題。一旦該OR-ing二極管插入到電流路徑中，則會產生額外的功率損耗和效率降低。該功率損耗會導致OR-ing二極管發(fā)熱，因而需要增加散熱器，降低系統(tǒng)的功率密度。當二極管關斷時，其反向恢復會成為一個問題——該二極管必須具有軟開關特性。為克服其中的一些問題，已使用了肖特基二極管。這些二極管和p-n二極管之間的一個重要差異，就是減小的正向壓降和可忽略的反向恢復。普通硅二極管的壓降介于0.7至1.7V之間;肖特基二極管的正向電壓降在0.2至0.55V之間。雖然肖特基二極管在用作OR-ing二極管時，系統(tǒng)的傳導損耗降低，但肖特基二極管卻具有較大漏電流——這將帶來傳導損耗。該損耗低于硅二極管。

　　這個問題的替代解決方案是使用功率MOSFET替代肖特基二極管。這引入了額外的MOSFET柵極驅動器，增加了復雜性。MOSFET的RDSON必須非常小，從而該MOSFET的壓降比肖特基二極管的正向壓降低很多，這可稱為有源OR-ing.現(xiàn)代低壓MOSFET的RDSON非常低——即便采用TO-220或D2PAK封裝，它也可以低至幾毫歐。飛兆半導體采用PQFN56封裝的FDS7650，對于30V MOSFET可以小到低于1毫歐。當OR-ing MOSFET導通時，它允許電流以任一方向流動。在失效情況下，冗余電源將產生大電流，因而OR-ing MOSFET必須快速關斷。飛兆半導體的PowerTrench技術MOSFET也適用于這種應用。