功率元器件應(yīng)用秘訣，采用專用MOSFET提高效率

　　新的MOSFET將瞄準(zhǔn)多個(gè)市場(chǎng)，包括直流對(duì)直流（DC-DC）、離線交流對(duì)直流（AC-DC）、電機(jī)控制、不斷電系統(tǒng)（UPS）、太陽能逆變器（Inverter）、焊接、鋼鐵切割、開關(guān)電源（Switched-mode Power Supply， SMPS）、太陽能/風(fēng)能和電動(dòng)車（EV）電池充電器等。

　　具較高開關(guān)頻率　MOSFET應(yīng)用范圍優(yōu)于IGBT

　　由于電力需求日益增長，且發(fā)電成本也同步上升，對(duì)公家事業(yè)而言，政府機(jī)構(gòu)要求減少有害氣體排放量的壓力也在增加，在在迫使設(shè)計(jì)人員須提高設(shè)備電源效率和性能。尤其各國政府機(jī)構(gòu)對(duì)最低電源轉(zhuǎn)換效率的規(guī)範(fàn)，更讓元件設(shè)計(jì)人員須根據(jù)特殊拓?fù)涞淖兓?，開發(fā)特定應(yīng)用MOSFET，因此元件參數(shù)在所有拓?fù)渲?，均扮演改善電路效率和性能的重要角色?/p>

　　在1970年代晚期推出MOSFET前，閘流體（Thyristor）和雙極型接面電晶體（Bipolar Junction Transistors， BJT）是僅有的功率開關(guān)。BJT是電流受控元件，而MOSFET與在1980年代面世的絕緣閘雙極電晶體（IGBT）則同為電壓受控元件。

　　然而，MOSFET是正溫度系數(shù)元件，但I(xiàn)GBT不一定是正溫度系數(shù)元件；且MOSFET為多數(shù)載流子元件，成為高頻應(yīng)用的理想選擇，如將DC轉(zhuǎn)換為AC的逆變器，可以在超音波的頻率下工作，以避免音頻干擾；相較于IGBT，MOSFET還具有高抗雪崩能力。

　　在選擇MOSFET時(shí)，工作頻率是一項(xiàng)重要的考量因素，與同等的MOSFET相比，IGBT具有較低的箝位能力。當(dāng)在IGBT和MOSFET之間選擇時(shí)，必須考慮逆變器輸入的DC匯流排電壓、額定功率、功率拓?fù)浜凸ぷ黝l率。IGBT通常用于200伏特（V）及以上的應(yīng)用；而MOSFET可用于從201000伏特的應(yīng)用。市面上業(yè)者雖可提供300伏特的IGBT，但MOSFET的開關(guān)頻率比IGBT高得多，且較新型MOSFET還具有更低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，逐漸在高達(dá)600伏特的中等電壓應(yīng)用取代IGBT。

　　環(huán)保節(jié)能意識(shí)抬頭　特定應(yīng)用MOSFET需求大增

　　對(duì)替代能源電力系統(tǒng)、UPS、開關(guān)電源和其他工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師而言，由于須不斷設(shè)法改進(jìn)系統(tǒng)輕載和滿載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率、功率密度、可靠性和動(dòng)態(tài)性能，故對(duì)效能優(yōu)異的特定應(yīng)用MOSFET需求殷切。其中，風(fēng)能是近來增長最快的能源之一，風(fēng)力機(jī)翼片控制中須使用大量的MOSFET元件，藉著滿足不同應(yīng)用需求，特定應(yīng)用MOSFET即可改善上述所需的功能表現(xiàn)。

　　不久的將來，其他需要新型和特定MOSFET的應(yīng)用還包括易于安裝在家庭車庫，或商業(yè)停車場(chǎng)的電動(dòng)車充電系統(tǒng)。這些充電系統(tǒng)將通過太陽能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)（Utility Grid）來運(yùn)行。由于壁掛式電動(dòng)車充電站須具快速充電能力，且建置太陽能電池充電站也將變得愈來愈重要，均須導(dǎo)入可支援高壓的特定應(yīng)用MOSFET。

　　太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET，例如Ultra FRFET MOSFET和常規(guī)體（Regular Body）二極體MOSFET；至于叁相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和UPS逆變器則需相同類型的MOSFET。近來，業(yè)界大量投資太陽能發(fā)電，大多數(shù)增長始于住宅太陽能計(jì)畫，隨后較大規(guī)模的商業(yè)專案也陸續(xù)出現(xiàn)，而多晶硅價(jià)格已從2007年的每公斤400美元跌落至2009年的每公斤70美元，且仍持續(xù)降價(jià)，也將驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)顯著增長。

　　事實(shí)上，太陽能系統(tǒng)對(duì)特定應(yīng)用MOSFET的需求早已存在。由于太陽能可幫助降低峰值功率的成本，避免發(fā)電成本隨燃料價(jià)格波動(dòng)而增加，并可為公用電網(wǎng)提供更多的電力，成為取之不盡的綠色能源；加上美國政府已設(shè)定目標(biāo)，要求80%的國家電力要來自綠色能源，在在帶動(dòng)對(duì)特定應(yīng)用MOSFET元件不斷增長的需求。如果將不同拓?fù)涞腗OSFET元件優(yōu)化，可顯著提升最終產(chǎn)品解決方案的效率。

　　與此同時(shí)，逐漸普及的市電并聯(lián)（Grid-tie）逆變器係一種將DC轉(zhuǎn)換為AC注入現(xiàn)有公用電網(wǎng)的專用逆變器。DC電源由可再生能源產(chǎn)生，如風(fēng)力機(jī)組或太陽能電池板，該逆變器也被稱為電網(wǎng)交互（Grid Interactive）或同步逆變器，只有在連接至電網(wǎng)時(shí)，市電并聯(lián)逆變器才會(huì)工作。目前市場(chǎng)上的逆變器採用各種拓?fù)湓O(shè)計(jì)，視功能要求的折衷權(quán)衡而定，獨(dú)立操作的逆變器也以特定設(shè)計(jì)，提供功率因數(shù)為1，或延遲、超前的電源。

　　儘管特定應(yīng)用MOSFET正快速興起，但其訴求高開關(guān)頻率須降低MOSFET的寄生電容，此一做法的代價(jià)將犧牲導(dǎo)通電阻（Rds（on））。而低頻應(yīng)用，則要求以降低Rds（on）做為最優(yōu)先考量。對(duì)于單端型應(yīng)用，MOSFET自體二極體恢復(fù)（Body Diode Recovery）特性并不重要，但對(duì)雙端型應(yīng)用則變得非常重要，因其要求低反向恢復(fù)電荷（Reverse Recovery Charge， QRR）和低反向恢復(fù)時(shí)間（Reverse Recovery Time， tRR）和更軟的自體二極體恢復(fù)。在軟開關(guān)雙端應(yīng)用中，這些要求對(duì)可靠性極其重要；而硬開關(guān)應(yīng)用因工作電壓增加，導(dǎo)通和關(guān)斷損耗也將提高，為減少關(guān)斷損耗，可根據(jù)Rds（on）來優(yōu)化CRSS和COSS。

　　MOSFET支援零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）拓?fù)?；然而IGBT僅支持ZCS拓?fù)?，故一般而言，IGBT應(yīng)用于大電流和低頻開關(guān)，MOSFET用于小電流和高頻開關(guān)；而透過混合模式模擬工具則可用來設(shè)計(jì)特定應(yīng)用MOSFET。

　　事實(shí)上，隨著硅、溝槽技術(shù)迭有進(jìn)展，特定應(yīng)用MOSFET的導(dǎo)通電阻及其他動(dòng)態(tài)寄生電容均已大幅降低；同時(shí)，更先進(jìn)的封裝技術(shù)也對(duì)改善特定應(yīng)用MOSFET的自體二極體恢復(fù)性能，發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。

　　MOSFET適用高/低頻逆變器

　　以DC-AC逆變器應(yīng)用為例，其廣泛應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS和綠色能源系統(tǒng)，通常高電壓和大功率系統(tǒng)使用IGBT；但對(duì)LV、MV、HV（12400伏特輸入DC匯流排），通常使用MOSFET。在太陽能、UPS和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的高頻DC-AC逆變器領(lǐng)域，MOSFET已相當(dāng)普及。

　　在某些DC匯流排電壓大于400伏特的情況下，會(huì)採用HV MOSFET；至于用在低功率應(yīng)用上，因MOSFET具有一個(gè)內(nèi)在的自體二極體，其開關(guān)性能很差，通常會(huì)在逆變器橋臂互補(bǔ)MOSFET中帶來高導(dǎo)通損耗。不過，在單開關(guān)或單端型應(yīng)用中，如功率因數(shù)校正（PFC）、正向或返馳式（Flyback）轉(zhuǎn)換器，自體二極體不是正向偏壓，可忽略它的存在。

　　由于低載波頻率逆變器的負(fù)擔(dān)是附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本；高載波頻率逆變器的優(yōu)勢(shì)是較小、較低成本的低通濾波器設(shè)計(jì)。MOSFET可通用在這些逆變器裡，因可在較高的開關(guān)頻率下工作，此即減少射頻干擾（Radio-Frequency Interference， RFI），且因開關(guān)頻率電流成分在逆變器和輸出濾波器內(nèi)流轉(zhuǎn)，從而消除向外的流動(dòng)。

　　逆變器強(qiáng)調(diào)安全高效率　MOSFET須面面俱到

　　逆變器內(nèi)建的MOSFET要求降低導(dǎo)通損耗，導(dǎo)致元件到元件之間的Rds（on）變化也須做到更小。此舉有兩個(gè)主要目的，首先在逆變器輸出端的DC成分較少，且此一Rds（on）可用于電流感測(cè)，以控制異常狀況（主要是在低壓逆變器中）；另外就是對(duì)相同的Rds（on），低導(dǎo)通電阻可縮小裸晶尺寸，從而降低成本。

　　當(dāng)裸晶尺寸縮小時(shí)，還可進(jìn)一步使用非箝位感應(yīng)開關(guān)（Unclamped Inductive Switching， UIS）來設(shè)計(jì)MOSFET單元結(jié)構(gòu)；相較于平面MOSFET，在相同的裸晶尺寸條件下，現(xiàn)代溝槽MOSFET具有良好的UIS。而薄裸晶減小熱阻（Thermal Resistance， RthJC），在這種情況下，較低的品質(zhì)因數(shù)（FOM）可以公式1表示：

　　RSP×RthJC/UIS.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。公式1

　　對(duì)逆變器而言，MOSFET還須擁有良好的安全工作區(qū)（Safe Operating Area， SOA）和較低的跨導(dǎo)。同時(shí)，逆變器會(huì)產(chǎn)生少量的閘漏電容（Gate-to-drain Capacitance， CGD）（米勒電荷），但低CGD/CGS比是必要的，可降低擊穿的機(jī)率，且適度提高CGD可幫助減少電磁干擾（EMI），而低CGD則增加dv/dt，并因此加劇EMI。這些逆變器不在高頻下工作，而是處于中頻狀態(tài)，故可讓閘極ESR增加少許，并可允許稍高的CGD和CGS。

　　此外，MOSFET也要降低COSS減少開關(guān)損耗，但開關(guān)期間的COSS和CGD突變會(huì)引起閘極振盪和高過衝，長時(shí)間可能損壞閘級(jí)。這種情況下，高源漏dv/dt會(huì)成為一個(gè)問題。若藉由超過3伏特的高閘極閾值電壓（VTH），則可實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性和并聯(lián)效益。

　　必須注意的是，逆變器MOSFET在某些情況下，需要高脈衝漏極電流（IDM）能力，以提供高短路電流的抗擾度，高輸出濾波器的充電電流，以及高馬達(dá)啟動(dòng)電流。另外，藉著在裸晶上使用更多的接合絲焊來減少M(fèi)OSFET的共源極電感。

　　最后則是擁有自體二極體恢復(fù)能力，MOSFET須具低QRR和tRR，且更軟、更快的自體二極體。同時(shí)，軟度因數(shù)（Softness Factor）S（Tb/Ta）應(yīng)該大于1。如此一來，將可減小二極體恢復(fù)、dv/dt及逆變器的擊穿可能性；反過來說，活躍（Snappy）自體二極體會(huì)引起擊穿和高電壓尖峰脈衝的問題。

　　自體二極體對(duì)效率影響甚巨

　　本文討論的快速自體二極體MOSFET，因自體二極體的離子壽命被壓縮，故減少tRR和QRR，讓MOSFET的自體與外延二極體極為相似。這種特性使此一MOSFET適用于各種不同應(yīng)用的高頻逆變器。至于逆變器橋臂，二極體由于反向電流而被迫正向?qū)?，更加突顯此特性的重要性。

　　相形之下，常規(guī)MOSFET的自體二極體一般反向恢復(fù)時(shí)間長、QRR值高，若此自體二極體被迫導(dǎo)通，負(fù)載電流則改變方向，從二極體流向逆變器橋臂中的互補(bǔ)MOSFET；那么，在整個(gè)tRR期間，可從電源獲得大電流。這增加MOSFET中的功率耗散，并降低效率，尤其對(duì)太陽能逆變器而言，效率至關(guān)重要，將不偏向採用此一設(shè)計(jì)。

　　更重要的是，活躍自體二極體還會(huì)引入暫態(tài)擊穿狀況，例如，當(dāng)其在高dv/dt下恢復(fù)，米勒電容中的位移電流能對(duì)閘極充電，達(dá)到VTH以上，同時(shí)互補(bǔ)MOSFET正試圖導(dǎo)通。這可能引起匯流排電壓的暫態(tài)短路，增加功率耗散并導(dǎo)致MOSFET失效。為避免此一現(xiàn)象，可在外部加碳化硅（SiC）或常規(guī)硅二極體，并以與MOSFET反向平行的方式進(jìn)行連接。因?yàn)镸OSFET自體二極體的正向電壓低，必須加上蕭特基二極體（Schottky Diode）與MOSFET串聯(lián)。

　　此外，一個(gè)反向平行的SiC須跨接在此一MOSFET和蕭特基二極體的組合之上（圖1）。當(dāng)MOSFET反向偏壓時(shí)，外部SiC二極體導(dǎo)通，串接的蕭特基二極體不會(huì)允許MOSFET自體二極體導(dǎo)通。這種架構(gòu)在太陽能逆變器中已變得非常普及，可以提高效率，但將增加成本。

　　圖1 以Ultra FRFET MOSFET（b）取代逆變器橋臂中失效的常規(guī)FET自體二極體（a）

　　要滿足上述所有應(yīng)用，搭載快捷（Fairchild）FRFET技術(shù)的UniFET II高壓MOSFET功率元件，將是有效的解決方案。相較于UniFET MOSFET，由于RSP減小，UniFET II元件的裸晶尺寸也減小，并有助于改善自體二極體恢復(fù)的特性。

　　圖2顯示Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規(guī)UniFET MOSFET元件之間的二極體恢復(fù)比較。在這種情況下，QRR已經(jīng)從3，100nC減少到260nC，且二極體開關(guān)損耗也顯著降低。

　　圖2　Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規(guī)UniFET MOSFET的自體二極體恢復(fù)特性比較

　　圖3則顯示採用Ultra FRFET時(shí)，相較于標(biāo)準(zhǔn)的UniFET II MOSFET，約可減少75%的導(dǎo)通損耗；同時(shí)也減少導(dǎo)通延遲時(shí)間、電流和電壓振鈴，并消除串聯(lián)蕭特基二極體的傳導(dǎo)損耗。不僅如此，UniFET II還降低COSS，優(yōu)化開關(guān)效率。圖4所示為Ultra FRFET MOSFET、標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和SiC結(jié)構(gòu)的效率比較。