- 場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)
- 場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)鍵參數(shù)
- 場(chǎng)效應(yīng)晶體管切換損耗
高壓金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）技術(shù)在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了很大的變化，這為電源工程師提供了許多選擇。了解不同MOSFET器件的細(xì)微差別及不同切換電路的應(yīng)力，能夠幫助工程師避免許多問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)效率最大化。經(jīng)驗(yàn)證明，采用新型的MOSFET器件取代舊式MOSFET，除簡(jiǎn)單地導(dǎo)通電阻上的差異之外，更重要的是，還能實(shí)現(xiàn)更高的電流強(qiáng)度與更快的切換速度以及其他優(yōu)越性能。
技術(shù)
高壓MOSFET器件采用兩種基本工藝：一種是比較常規(guī)的平面工藝；另一種是新的電荷平衡工藝。平面工藝非常穩(wěn)定和耐用，但是在有源區(qū)與擊穿電壓一定時(shí)，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超級(jí)FET或超級(jí)MOS的電荷平衡工藝。
對(duì)于給定導(dǎo)通電阻，有源區(qū)大小的顯著變化會(huì)通過(guò)輸出電容與柵極電荷影響器件的熱阻與切換速度。圖1給出了三種工藝的導(dǎo)通電阻。
圖1三種FET工藝比較
在相同擊穿電壓與尺寸條件下，最新的電荷平衡型器件的導(dǎo)通電阻只是傳統(tǒng)MOSFET器件的25%。如果僅關(guān)注導(dǎo)通電阻，可能會(huì)誤認(rèn)為，可以采用傳統(tǒng)器件四分之一大小的MOSFET器件。但是，由于片基尺寸較小，它的熱阻較高。
當(dāng)你意識(shí)到MOSFET不只是由導(dǎo)通電阻表征的有源區(qū)時(shí)，這有著進(jìn)一步的啟示。所謂“邊緣終端”，是使器件不存在片基邊緣上的電壓擊穿。對(duì)于更小的MOSFET器件，特別是對(duì)于高壓器件，該邊緣區(qū)可以大于有源區(qū)，如圖2所示。邊緣區(qū)不利于導(dǎo)通電阻，而有利于熱阻（結(jié)到管殼）。因此，在較高的導(dǎo)通電阻條件下，具有非常小的有源區(qū)不能顯著地減少器件整體的成本。
一個(gè)圖2對(duì)于較小的MOSFET器件，邊緣區(qū)甚至可大于有源區(qū)
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關(guān)鍵參數(shù)
對(duì)于任何半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，結(jié)溫度(Ti)都是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。一旦超過(guò)了器件的Ti(max)，器件將會(huì)失效。較高的結(jié)溫度下，導(dǎo)通電阻較高，體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較差，從而導(dǎo)致較高的功率損耗，因此保持低的Ti有助于系統(tǒng)更高效的運(yùn)行。理解這一現(xiàn)象的影響因素并能夠計(jì)算結(jié)溫度是很有幫助的。結(jié)溫度可由式（1）計(jì)算：
Tj=Ta+Pd•RΦJA(1)
其中包括三個(gè)因素：周?chē)h(huán)境溫度Ta，功率耗散Pd與結(jié)至環(huán)境（junction-to-ambient）熱阻。Pd包括器件的導(dǎo)通損耗與切換損耗。這可由式2計(jì)算：
Pd=D.RDS(on).ID2+fsw.(Eon+Eoff)(2)
第一項(xiàng)明確表示了導(dǎo)通損耗，其中D是占空比，ID是漏極電流，RDS(on)是漏極至源級(jí)電阻，它也是電流與溫度的函數(shù)。應(yīng)該查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)得到本應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境下的結(jié)溫度與漏極電流條件的具體值。
通常難以得到D、ID與RDS(on)的具體數(shù)值，所以工程師們傾向于選擇合理值的上界值。也許有人認(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)，通常需要更大的片基，這會(huì)影響切換損耗和體二極管的恢復(fù)。
切換損耗
功率損耗公式的第二部分與切換損耗有關(guān)。這種表示形式更常見(jiàn)于絕緣柵門(mén)極晶體管（IGBT），但fsw.（Eon+Eoff）更好地描述了功率損耗。在不同電流下，可能沒(méi)有導(dǎo)通損耗或?qū)〒p耗非常低。
這些損耗受到切換速度與恢復(fù)二極管的影響。在平面型MOSFET器件中，通過(guò)提高壽命時(shí)間控制體二極管的性能比在電荷平衡型器件中更為容易。因此，如果你的應(yīng)用需要MOSFET中的體二極管導(dǎo)通，例如，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的不間斷電源（UPS）或一些鎮(zhèn)流器應(yīng)用，改進(jìn)的體二極管特性能比最低的導(dǎo)通電阻更有作用。
用這些損失乘以切換頻率（fsw）。關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的柵極驅(qū)動(dòng)電流，而輸入電容是該設(shè)計(jì)中的重要因素。
熱阻
計(jì)算最大結(jié)溫度的另一關(guān)鍵是結(jié)至環(huán)境熱阻RΦJA，它由式（3）計(jì)算。
RΦJA=RΦJC+RΦCS+RΦSA(3)
RΦJC是結(jié)至管殼（junction-to-case）的熱阻，與片基尺寸有關(guān)。RΦCS是管殼至匯點(diǎn)（case-to-sink）熱阻，與熱界面及電隔離有關(guān)，是用戶(hù)參數(shù)。RΦSA匯點(diǎn)至環(huán)境熱阻，為基本的散熱與空氣流動(dòng)。
半導(dǎo)體數(shù)據(jù)手冊(cè)一般提供分立封裝的節(jié)至管殼熱阻與節(jié)至匯點(diǎn)的熱阻。通常提供節(jié)至環(huán)境的熱阻，但這是假設(shè)沒(méi)有熱損耗及器件裝于靜止空氣中的板上，或?qū)τ谝恍┍砻媾溲b器件，假設(shè)安裝在確定鋪銅量的電路板上。在大多數(shù)情況下，確定管殼至匯點(diǎn)及匯點(diǎn)至環(huán)境的熱阻是由電源工程師負(fù)責(zé)的。
熱阻的重要性表現(xiàn)在多個(gè)方面，包括器件的額定電流，如表1所示。給出的三種不同的600V器件的額定電流均為7A，但各自的RDS(on)值與RΦJC值差異很大。由于MOSFET器件的額定電流只是由導(dǎo)通損耗公式?jīng)Q定的，因此低熱阻的影響明顯。
因此，選擇正確的器件實(shí)際上取決于你打算如何使用這些器件，打算使用什么切換頻率，什么拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用中的導(dǎo)熱路徑，當(dāng)然，還要考慮你準(zhǔn)備接受的成本。
一些通用的指導(dǎo)是，在不存在體二極管恢復(fù)損耗的功率因數(shù)校正（PFC）及回掃應(yīng)用中，如果RDS(on)大于1Ω，高級(jí)平面工藝，例如,UniFET（II）、QFET及CFET則是較好的解決方案。這很大程度上是因?yàn)檩^低的RΦJC有助于器件保持較低溫度。對(duì)于高RDS(on)的需求，由于邊緣終端的緣故，電荷反射型器件的有緣區(qū)在整個(gè)片基區(qū)域中的比例相對(duì)較小，而平面工藝的MOSFET，即使硅片稍大，也是較為便宜的工藝，而兩者封裝成本大至相同。
對(duì)于需要反向恢復(fù)的應(yīng)用，在RDS(on)值與RΦJC值之外還需考察二極管特性，這一點(diǎn)是十分重要的。采用高級(jí)平面工藝與電荷平衡工藝的MOSFET器件均可具備改進(jìn)體二極管的特性。
在需要最低RDS(on)與快速切換的應(yīng)用中，新的平衡型器件，例如SupreMOS與SuperFET，可提供最大的優(yōu)勢(shì)。一般而言，SuperFET器件在RDS(on)要求為0.5～1Ω之時(shí)優(yōu)勢(shì)最大。而SuperMOS在RDS(on)低于0.5Ω時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。這一差異又是由于熱阻的作用。
