高效能低电压Power MOSFET及其参数与应用

　　前言

　　近年来，产业的发展、有限的资源及日益严重的地球暖化现象，促使环保节能的观念逐渐受到重视，更造就各项新能源的开发，能源利用技术及新式组件或装置的发展，而能源政策的推广更使得能源概念的商机逐渐扩大。

　　为了满足节能和降低系统功率损耗的需求，需要更高的能源转换效率，这些与时俱进的设计规范要求，对于电源转换器设计者会是日益严厉的挑战。为应对此需求，除使用各种新的转换器拓扑（topology）与电源转换技术来提高电源转换效率之外，新式功率组件在高效能转换器中所扮演的重要角色，亦不容忽视。其中，Power MOSFET目前已广泛应用于各种电源转换器。本文将简述Power MOSFET的特性、参数与应用，除针对目前低电压Power MOSFET的发展趋势做简单介绍外，还将简单比较新一代低压Power MOSFET的性能。

　　Power MOSFET的参数与应用

　　电源设计工程师在选用Power MOSFET设计电源时，大多直接以Power MOSFET的最大耐压、最大导通电流能力及导通电阻等三项参数做出初步决定。但实际上，在不同的应用电路中，Power MOSFET的选用有更细腻的考虑因素，以下将简单介绍 Power MOSFET的参数在应用上更值得注意的几项重点。

　　1 功率损耗及安全工作区域（Safe Operating Area， SOA）

　　对Power MOSFET而言，决定其最大功率损耗是由温度及接触-包装外壳间之热阻所决定，即：

　　 （1）

　　由上式可知，若能够有效减少热阻，则Power MOSFET所能承受之的最大功率损耗就可以获得提升。因此，工艺的最大改进目标就是减少热阻。

　　图1为Power MOSFET之安全工作区示意图，此安全区主要是由四个条件所决定：导通电阻RDSON、最大脉冲电流IDpulse、最大功率损耗PD及最大耐压VBR。正常条件下，Power MOSFET都必须工作在安全工作区域之内。

　　图1 Power MOSFET之安全工作区域图

　　2 Power MOSFET传导与并联使用

　　Power MOSFET的传导（transconductance， gfs）为其工作在线性区（linear region）时，VGS与ID间的小信号增益值，可以用下式表示。

　　gfs=ΔID/ΔVGS （2）

　　Power MOSFET在导通及截止的过程中工作在线性区，因此传导的大小与导通及截止的过程中，所能流经Power MOSFET的最大电流有关，亦即：

　　ID=（VGS-Vth）middot;gfs （3）

　　然而在中/高电流的应用电路中，在为了提升效率所采用的Power MOSFET并联方法下，传导值就会直接影响到在导通及截止的过程中，流经各Power MOSFET的电流均匀程度。一般而言，会采用具高传导值的Power MOSFET，减少并联使用中的电流不均情况。

　　3 切换速度与闸极电荷（Qg）

　　CGD充电时之VGS电压及相对应之各项波形。由图中可知，极间电容CGS及CGD在Power MOSFET的切换速度上扮演重要的角色。

　　Qg用以表示Power MOSFET在导通或截止的过程中，驱动电路所必须对极间电容充电/放电之总电荷量。在一般操作之下，Power MOSFET切换的延迟时间可用一简单公式表示。

　　td=Qg/iG （4）

　　此外，在驱动电路驱动Power MOSFET导通及截止的过程中，对Power MOSFET的极间电容进行充/放电的栅极电荷，事实上也是一种形式的损耗，只是发生于驱动电路。若Qg值愈大，要达到高频率操作及高速切换，则需要具较高电流能力之驱动电路。Power MOSFET之驱动损耗可以下式表示。

　　PDRV=VDRV×QG×FSW （5）

　　其中，VDRV为驱动电路之驱动电压。

　　4 Qgd/Qgs1与dVDS/dt

　　在高端MOSFET导通及低端截止的瞬间，单相同步整流降压电路架构的等效电路如图3所示。其中，输入等效电容 Ciss=Cgs+Cgd；输出等效电容 Coss=Cgd+Cds；反馈等效电容 Crss=Cgd，内含有其他寄生电容及NPN三级管。

　　图2 Power MOSFET栅极电荷示意图

　　图3 高端MOSFET导通及低端MOSFET截止过程的等效电路

　　在可能的操作条件下，低压侧Power MOSFET Q2截止时，且VDS上升斜率dVDS/dt很高时，VDS可能经Cgd对Cgs充电。因此，为避免因这充电现象发生而导致的高/低压侧Power MOSFET同时导通而烧毁，一般需选用（Qgd/Qgs1）《1（Qgs1表示Qgs在Vgs《Vgs（th）时的值）。另外，在高dVDS/dt的情况下，VDS可以透过另一个寄生电容Cdb触发Power MOSFET内的寄生晶体管，造成Power MOSFET的烧毁。 因此，在实际应用电路中必须尽量避免Power MOSFET超过其dV/dt值。

　　5崩溃及崩溃能量

　　Power MOSFET在VDS》BVDSS后会进入崩溃区（Avalanche），其操作如同一齐那二极管，当能量超过某一值时，会造成雪崩击穿 （Avalanche Breakdown）。在正常使用情况下，功率晶体应避免操作于此情况。在Power MOSFET的规格表中标示有“EAS”及”EAR”参数，此参数分别代表进入崩溃时，Power MOSFET能够忍受的单次脉波及重复性脉波最大能量。

　　单次脉冲崩溃能量：EAS=1/2×VBS×IAS×tAV

　　重复性脉冲崩溃能量：EAR=1/2×VBR×IAR×tAV

　　其中，tAV表示Power MOSFET进入崩溃时之延续时间。

　　雪崩击穿一般可分为两种损坏模式： （1）高能量雪崩击穿损坏，属于高电感、低电流且长时间雪崩击穿，导致积热无法及时散逸而使得Power MOSFET损坏，例如驱动马达的应用；（2）低能量雪崩击穿损坏，属于低电感、高电流且短时间雪崩击穿，导致瞬间过热无法及时散逸而使得功率MOSFET损坏，如个人计算机主机板之中央处理器（CPU）核心电源（Vcore）的应用。大部分的功率MOSFET的损坏是由于过大的能量（Electrical Over Stress;EOS）加于组件而导致过热或超出安全工作范围而引发的。

　　Power MOSFET损耗分析与设计趋势

　　以同步整流降压转换器做损耗分析，可说明目前Power MOSFET在应用电路中的各项功率损耗情况。

　　对高端的Power MOSFET而言，其功率损耗为：

　　Ploss，Q1=导通损耗+切换损耗+驱动损耗+电容性损耗，亦即：

　　 （6）

　　而低端之同步整流 Power MOSFET之功率损耗为：

　　Ploss，Q2=导通损耗+驱动损耗+电容性损耗+本体二极管回复损耗，亦即：

　　 （7）

　　从式（6）、（7）可知，Power MOSFET主要的损耗来源有三：（1）导通电阻造成导通损失；（2）闸极电荷造成驱动电路上的损耗及切换损失；（3）输出电容在截止/导通的过程中造成Power MOSFET的储能/耗能。值得注意的是，除了导通损耗以外，其余各项损耗均与Power MOSFET之极间电容或门极电荷及切换频率呈正比。亦即，若要在较高频率操作，必须选用较低极间电容或门极电荷之Power MOSFET，可以有效减少高频率下之切换损失。

　　而Power MOSFET发展趋势亦是以减少导通/切换损耗、快速切换为目标，使其所应用之电源供应装置，能够达到效率高、轻量化、小型化及稳定性高之产品设计目标。以下将说明现今低压Power MOSFET之发展趋势，并以Infineon Technologies公司所生产之新一代OptiMOS？为例，比较性能优劣。