中心論點：

• 如何提高輕負載和高頻率DC-DC轉(zhuǎn)換效率
• 將肖特基二極管與MOSFET集成在一起的兩個優(yōu)點
• 體二極管和肖特基二極管之間電流分布的分析

為了幫助提高較輕負載和較高開關(guān)頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換效率，可以在MOSFET芯片上采用一個封裝的形式集成一個肖特基二極管，以減少由降壓式轉(zhuǎn)換器電路的低端開關(guān)引起的功率損耗。此外，將兩個元件集成在一個單片芯片中還有助于降低MOSFET的rDS（on） 額定值并節(jié)省電路板空間。負載點（POL）、DC-DC轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓模塊已廣泛應(yīng)用于計算機和固定電信市場的功率管理應(yīng)用，推動著能夠提高效率的高性能MOSFET的需求不斷增長。

實現(xiàn)這一目標的一種特別有益的方法是提高輕電流負載效率。這一點非常重要，因為大多數(shù)服務(wù)器和筆記本電腦在大多數(shù)時間都不是在最大負載條件下運行。這意味著CPU的需求通常很低，而耗用的電流要比系統(tǒng)能夠處理的最大IOUT 低得多。在服務(wù)器系統(tǒng)中，最大電流水平可能超過120 A，但是在正常運行期間，耗用電流可下降到20 A至40 A的范圍。對于一臺或兩臺服務(wù)器來說，這種低效能運行可能對用戶的用電賬單沒有什么影響，但是如果把一家大型公司或者是一個服務(wù)器機房內(nèi)的所有服務(wù)器都加在一起，影響就非常大了。隨著能源成本的提升，可以利用更有效的MOSFET來降低功耗，這比以往任何時候都引起人們更大的關(guān)注。

有助于提高效率的第二個機會是考慮頻率在500 kHz及以上的功率損耗。由于POL轉(zhuǎn)換器的尺寸已經(jīng)減小，而且隨著超便攜個人電腦（UMPC）更廣泛的采用，增加開關(guān)頻率將作為最大限度地減少電源轉(zhuǎn)換電路尺寸的一種策略。但是，如果像MOSFET這樣的DC-DC元件沒有進行優(yōu)化，在較高的頻率下就可能出現(xiàn)效率水平的顯著下降。專門用來處理250 kHz典型母板頻率的MOSFET可能不太適用于這類POL應(yīng)用。因此，根據(jù)提高的頻率降低整個負載范圍的功耗已變得比以往任何時候都更加重要。

改善設(shè)備性能

將肖特基二極管與MOSFET集成在一起來改善設(shè)備性能有兩個主要優(yōu)點。與MOSFET增加體二極管的方法相比，隨著肖特基二極管的增加，第一個性能改善來自于總反向恢復(fù)電荷（QRR）的減少。當(dāng)一個降壓式轉(zhuǎn)換器電路中的高端MOSFET導(dǎo)通時，反向恢復(fù)電流從輸入源（VIN）流經(jīng)高端MOSFET，然后流經(jīng)低端MOSFET體二極管和集成的肖特基二極管。來自這個事件的低端MOSFET的功率損耗是由VIN ? QRR ? fSW 決定的。因此，QRR 的減少與功耗的降低有關(guān)，該功耗與開關(guān)頻率的增加成正比。

第二，肖特基二極管兩端的正向壓降（VF）要比MOSFET內(nèi)的體二極管兩端的壓降低很多。集成了肖特基二極管的該器件的典型正向電壓是0.44 V，而標準MOSFET的正向電壓為0.72 V，這相當(dāng)于下降了38 %。在降壓式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET死區(qū)時間內(nèi)（該時間間隔出現(xiàn)在MOSFET斷開而主要部分電感電流通過肖特基而不是MOSFET的體二極管導(dǎo)通時）斷開時，這將導(dǎo)致實際上更低的功耗（P = VI）。

體二極管和肖特基二極管之間電流分布的分析

在低電流操作期間，肖特基二極管能夠處理系統(tǒng)中的全部電感電流，從而防止MOSFET的體二極管導(dǎo)通。因此，由于使用體二極管而不會出現(xiàn)反向恢復(fù)損失，而肖特基的反向恢復(fù)電荷理論上為零，可以實現(xiàn)最小的損耗。在大電流操作期間，肖特基可以處理大部分電感電流，但是無法處理全部電感電流。它不能處理穿過MOSFET的體二極管的部分電流。這就是集成的器件的QRR 額定值不是為零的原因。

下面的兩條曲線說明了發(fā)生在TJ=25 ℃時的一個例子。圖1是標準溝道MOSFET體二極管的VF 特性，3 A條件下的VF 為0.72 V。圖2是集成了肖特基的MOSFET是VF 特性，3 A條件下的VF 為0.49 V，它來自于肖特基的VF。這就是我們看到的在輕負載時的效率提高的原因。不過，一旦電流增加到10 A，VF 就變成了0.72 V，它類似于正在導(dǎo)通的MOSFET體二極管。在10 A條件下，我們可以估計出，通過肖特基的電流大約為7 A，而通過體二極管的電流大約為3 A。所以在重負載條件下，只要大部分電流通過肖特基二極管，效率水平就可以提高。

圖1. 標準溝道MOSFET的VF 特性。

圖2. 集成了肖特基二極管的MOSFET的VF 特性。

改善應(yīng)用性能

我們來看看一個采用SI4642DY SkyFET的簡單降壓式轉(zhuǎn)換器應(yīng)用對效率的貢獻。該器件是一個集成了用作低端開關(guān)的肖特基二極管的30 V MOSFET。其VIN 為19 V，VOUT 為1.3 V，它類似于標準筆記本電腦的電源拓撲結(jié)構(gòu)，是一種用來評估低端開關(guān)性能的標準高端MOSFET。在這個評估中，使用了一個高端MOSFET和兩個低端MOSFET。兩個器件上加了4.5 V的柵極驅(qū)動電壓。與行業(yè)標準溝道MOSFET相比，集成的器件在輕負載條件下的效率超過了前者。這種改善可以將開關(guān)頻率從300 KHz增加到550 KHz。在300 KHz條件下，輕負載的改善大約為2 %，而在550 KHz條件下約為4 %。兩個MOSFET的rDS（on） 額定值類似。

因此，SI4642DY SkyFET技術(shù)利用了在MOSFET芯片上集成肖特基二極管的優(yōu)勢，平衡了MOSFET本征體二極管的局限性。其最終結(jié)果是降低了服務(wù)器、筆記本和電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）等系統(tǒng)的功耗。

圖3. 300 KHz條件下SI4642DY SkyFET的效率曲線。

圖4. 550 KHz條件下SI4642DY SkyFET的效率曲線。

講座預(yù)告：Vishay應(yīng)用技術(shù)講座成都專場

2010年9月7日，知名被動元件與分立器件供應(yīng)商Vishay在成都開展專場技術(shù)講座，不同領(lǐng)域技術(shù)專家分別探討電容、電阻、電感、光隔離器、功率器件在工業(yè)電源、機車電源系統(tǒng)、電機控制、逆變器、變頻器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

講座主題：
1）電容器在工業(yè)電源系統(tǒng)中的應(yīng)用：主要探討電容在工業(yè)電源、太陽能發(fā)電、機車電源等一些領(lǐng)域上的應(yīng)用與選型。
2）新能源技術(shù)中電阻及電感的應(yīng)用和選擇：新能源技術(shù)對電阻等元器件的要求；新能源技術(shù)中電流檢測的解決方案；厚膜功率電阻在變頻器中的應(yīng)用；模塊電源中功率電感的選擇和應(yīng)用。
3）光隔離器及在電機控制，逆變器和隔離電源中的應(yīng)用：探討光隔離器在電機控制、機車電源、太陽能/風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
4）二極管在新能源領(lǐng)域以及節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用：太陽能應(yīng)用對旁路二極管，阻塞二極管，升壓二極管的技術(shù)要求；節(jié)能設(shè)計中,威世TMBS肖特基產(chǎn)品和平面肖特基產(chǎn)品的比較。

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