利用PowerTrench MOSFET應(yīng)對(duì)更高功率密度的新挑戰(zhàn)

公式4

開關(guān)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(shí)，設(shè)計(jì)人員必需考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)的問題，如散熱器和風(fēng)扇；有時(shí)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(nèi)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(chǎn)生的功耗也不可忽視。除了電路板參數(shù)之外，器件的特性也對(duì)電壓尖刺電平有影響。在同步整流中，一個(gè)主要的器件相關(guān)參數(shù)是反向恢復(fù)期間的體二極管軟度因子（softness）?；旧?，二極管的反向恢復(fù)特性是由設(shè)計(jì)決定的。有好幾個(gè)控制輸入對(duì)反向恢復(fù)產(chǎn)生影響，如結(jié)溫、di/dt和正向電流水平。但是，當(dāng)條件固定時(shí)，二極管總是表現(xiàn)出相同的行為。因此，器件的評(píng)估結(jié)果對(duì)評(píng)測系統(tǒng)的運(yùn)作情況非常有用。圖10所示為兩個(gè)不同器件（但有極其相似的額定值）的反向恢復(fù)波形。

在反向恢復(fù)電流波形中，從零到峰值反向電流的這段時(shí)間被稱為ta。tb則定義為從峰值回到零的時(shí)間。軟度因子定義為tb/ta。一個(gè)軟器件的軟度因子大于1，而當(dāng)其軟度因子小于1時(shí)，該器件被認(rèn)為是“snappy（活躍的）”。從圖10可看出，反向恢復(fù)期間snappy二極管的峰值電壓較大。當(dāng)所有條件都相同時(shí)，snappy二極管的電壓尖刺總是比較高，因此會(huì)在緩沖電路中造成額外的損耗。輕載條件下，這一點(diǎn)可能比把導(dǎo)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(zhuǎn)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(fù)載條件下，二者的效率分別為94.81%與94.29%。滿載下兩個(gè)器件的效率相同。

總結(jié)

為同步整流創(chuàng)建更高效的電源開關(guān)，低RDS(on)不是唯一的要求。隨著輕載效率的重要性增強(qiáng)，柵極驅(qū)動(dòng)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(guān)重要的特性。不過，RDS(ON)仍然是應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。圖12所示為帶同步整流的800W PSFB中，在不同負(fù)載和不同器件條件下，不同元件的相關(guān)功耗。由于在10%負(fù)載條件下的驅(qū)動(dòng)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(chǎn)品減小43%。此外，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的功耗主要源于滿負(fù)載條件下的傳導(dǎo)損耗，因此其功耗比4.7毫歐競爭產(chǎn)品的更低。從圖12總結(jié)的損耗分析可明顯看出，由于3.6毫歐PowerTrench MOSFET進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(dǎo)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(fù)固有體二極管性能及快速開關(guān)等優(yōu)勢(shì)，旨在讓整流應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更高的效率。由于柵極電荷和輸出電容存儲(chǔ)能量的減少，開關(guān)效率得以提高，驅(qū)動(dòng)和輸出電容性損耗得以降低。PowerTrench MOSFET的這些優(yōu)點(diǎn)可幫助設(shè)計(jì)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(chǎn)品的比較

圖9 不同輸出負(fù)載條件下，損耗比(驅(qū)動(dòng)損耗/傳導(dǎo)損耗)的比較

表1：DUT的關(guān)鍵規(guī)格比較

圖10 不同軟度因子的反向恢復(fù)波形

圖11 500W PSFB DC-DC轉(zhuǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)通阻抗與擊穿電壓成比例，故它還能降低傳導(dǎo)損耗。

圖12 800W同步整流電路的損耗分析