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    • 發(fā)布時(shí)間:2020-08-25 18:31:27
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    MOSFET選擇策略知識(shí)
    在70年代晚期推出MOSFET之前,晶閘管和雙極結(jié)型晶體管(BJT)是僅有的功率開關(guān)。BJT是電流控制器件,而MOSFET是電壓控制器件。在80年代,IGBT面市,它仍然是一種電壓控制器件。MOSFET是正溫度系數(shù)器件,而IGBT則不一定。MOSFET是多數(shù)載流子器件,因而是高頻應(yīng)用的理想選擇。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器,可以在超聲頻率下工作以避免音頻噪聲。相比IGBT,MOSFET還具有高抗雪崩能力。在選擇MOSFET時(shí),工作頻率是一個(gè)重要因素。相比同等MOSFET,IGBT具有較低的箝位能力。在IGBT和MOSFET之間選擇時(shí),必須考慮逆變器輸入的直流總線電壓、功率定額、功率拓?fù)浜凸ぷ黝l率。IGBT通常用于200V及以上的應(yīng)用,而MOSFET可以用于從20V到1000V的應(yīng)用。雖然飛兆半導(dǎo)體公司擁有300V的IGBT,但MOSFET的開關(guān)頻率卻比IGBT高出許多。較新型的MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗,在直到600V的中等電壓應(yīng)用中正在取代IGBT.設(shè)計(jì)替代性能源電力系統(tǒng)、UPS、開關(guān)電源(SMPS)和其他工業(yè)系統(tǒng)的工程師正不斷設(shè)法改進(jìn)這些系統(tǒng)的輕載和滿載效率、功率密度、可靠性和動(dòng)態(tài)性能。風(fēng)能是增長最快的能源之一,一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是風(fēng)力機(jī)葉片控制,其中使用了大量的MOSFET器件。通過迎合不同的應(yīng)用需求,特定應(yīng)用的MOSFET可以幫助實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)。
    其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應(yīng)用,包括易于安裝在家庭車庫和商業(yè)停車場的電動(dòng)汽車(EV)充電系統(tǒng)。這些EV充電系統(tǒng)將通過光伏(PV)太陽能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)運(yùn)行。壁掛式EV充電站必須實(shí)現(xiàn)快速充電。對(duì)于通信電源而言,PV電池充電站也將變得重要。
    三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET,但PV太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET,如Ultra FRFET MOSFET和常規(guī)體二極管MOSFET.最近幾年,業(yè)界大量投資PV太陽能發(fā)電。大多數(shù)增長開始于住宅太陽能項(xiàng)目,但較大的商業(yè)項(xiàng)目正在出現(xiàn):諸如多晶硅價(jià)格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件,都促進(jìn)了巨大的市場增長。
    正在普及的并網(wǎng)逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入現(xiàn)有公用電網(wǎng)的專用逆變器。直流電源由可再生能源產(chǎn)生,比如小型或大型的風(fēng)力機(jī)組或PV太陽能電池板。該逆變器也被稱為同步逆變器。僅當(dāng)連接至電網(wǎng)時(shí),并網(wǎng)逆變器才會(huì)工作。今天市場上的逆變器采用了不同的拓?fù)湓O(shè)計(jì),取決于設(shè)計(jì)的權(quán)衡要求。獨(dú)立式逆變器采用不同設(shè)計(jì),以按照整、滯后或超前功率因數(shù)供電。
    對(duì)PV太陽能系統(tǒng)的市場需求早已存在,因?yàn)樘柲芸梢詭椭档透叻咫娏Τ杀?,能夠消除燃料成本的波?dòng)性,可為公用電網(wǎng)提供更多的電力,還可作為“綠色”能源進(jìn)行推廣。
    美國政府已經(jīng)設(shè)定了目標(biāo),要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述,結(jié)合美國政府的目標(biāo),PV太陽能解決方案已經(jīng)成為一個(gè)不斷增長的市場。這帶來了對(duì)MOSFET器件不斷增長的需求。如果優(yōu)化不同拓?fù)涞腗OSFET器件,終端產(chǎn)品的解決方案可實(shí)現(xiàn)顯著的效率提升。
    高開關(guān)頻率應(yīng)用需要以犧牲RDSON為代價(jià)來降低MOSFET的寄生電容,而低頻應(yīng)用卻要求以降低RDSON為最高優(yōu)先級(jí)。對(duì)于單端應(yīng)用,MOSFET體二極管的恢復(fù)并不重要,但對(duì)于雙端應(yīng)用卻非常重要,因?yàn)樗鼈冃枰蛅RR、QRR和更軟的體二級(jí)管恢復(fù)。在軟開關(guān)雙端應(yīng)用中,這些要求對(duì)于可靠性極其重要。在硬開關(guān)應(yīng)用中,隨著工作電壓增加,導(dǎo)通和關(guān)斷損耗也將增加。為減少關(guān)斷損耗,可以根據(jù)RDSON來優(yōu)化CRSS和COSS.
    MOSFET支持零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)拓?fù)洌贿^IGBT卻僅支持ZCS拓?fù)?。通常,IGBT用于大電流和低頻開關(guān),而MOSFET則用于小電流和高頻開關(guān)?;旌夏J椒抡婀ぞ呖梢杂脕碓O(shè)計(jì)特定應(yīng)用的MOSFET.在硅和溝槽技術(shù)方面的進(jìn)展降低了導(dǎo)通電阻(RDSON)和其他動(dòng)態(tài)寄生電容,并改進(jìn)了MOSFET的體二極管恢復(fù)性能。封裝技術(shù)也在這些特定應(yīng)用的MOSFET中發(fā)揮了作用。
    逆變器系統(tǒng)
    DC-AC逆變器廣泛用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS和綠色能源系統(tǒng)。通常,高電壓和大功率的系統(tǒng)使用IGBT,但對(duì)于低壓、中壓和高壓(12V至400V輸入直流總線)而言,通常使用MOSFET.在用于太陽能逆變器、UPS逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的高頻DC-AC逆變器中,MOSFET已獲得普及。在直流總線電壓大于400V的某些應(yīng)用中,高壓MOSFET被用于小功率應(yīng)用。MOSFET具有一個(gè)固有的開關(guān)性能很差的體二極管,該二極管通常會(huì)在逆變器橋臂的互補(bǔ)MOSFET中帶來高開通損耗。在單開關(guān)或單端應(yīng)用(例如PFC、正激或反激轉(zhuǎn)換器)中,體二極管并未正向偏置,因而可以忽略它的存在。低載頻逆變器承受著附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本的負(fù)擔(dān);高載頻逆變器的優(yōu)勢則是更小、更低成本的低通濾波器設(shè)計(jì)。MOSFET是這些逆變器應(yīng)用的理想之選,因?yàn)樗鼈兛梢怨ぷ髟谳^高的開關(guān)頻率下。這能減少射頻干擾(RFI),因?yàn)殚_關(guān)頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內(nèi)部流動(dòng),從而消除了向外流動(dòng)。
    針對(duì)逆變器應(yīng)用的MOSFET的要求包括:
    特定的導(dǎo)通電阻(RSP)應(yīng)該較小,來減少導(dǎo)通損耗。器件到器件的RDSON變化應(yīng)該較小,這有兩個(gè)目的:在逆變器輸出端的DC分量較少,且該RDSON可以用于電流檢測來控制異常狀況(主要在低壓逆變器中);對(duì)于相同的RDSON,低RSP可以減少晶圓尺寸,從而降低成本。
    當(dāng)晶圓尺寸減小時(shí),可以使用非箝位感應(yīng)開關(guān)(UIS)。應(yīng)該采用良好的UIS來設(shè)計(jì)MOSFET單元結(jié)構(gòu),且不能有太多的讓步。通常,對(duì)于相同的晶圓尺寸,相比平面MOSFET,現(xiàn)代溝槽MOSFET具有良好的UIS.薄晶圓減小了熱阻(RthJC),在這種情況下,較低的品質(zhì)因數(shù)(FOM)可以表示為RSP×RthJC/UIS.3.良好的安全工作區(qū)(SOA)和較低的跨導(dǎo)。
    會(huì)有少量柵漏電容(CGD)(米勒電荷),但CGD/CGS比必須低。適度高的CGD可以幫助減少EMI.極低的CGD增加了dv/dt,并因此增加了EMI.低CGD/CGS比降低了擊穿的可能性。這些逆變器不在高頻下工作,因而允許柵極ESR有少許增加。因?yàn)檫@些逆變器工作在中等頻率上,所以可以允許有稍高的CGD和CGS.
    即使在該應(yīng)用中工作頻率已較低,但降低COSS有助于減少開關(guān)損耗。同時(shí)也允許稍微增大COSS.
    開關(guān)期間的COSS和CGD突變會(huì)引起柵極振蕩和較高過沖,長時(shí)間后將有可能損壞柵極。這種情況下,高源漏dv/dt會(huì)成為問題。
    高柵極閾值電壓(VTH)可以實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯(lián)。VTH應(yīng)該超過3V.
    體二極管恢復(fù):需要具有低反向恢復(fù)電荷(QRR)和低反向恢復(fù)時(shí)間(tRR)的更軟、更快的體二級(jí)管。同時(shí),軟度因子S(Tb/Ta)應(yīng)大于1.這將減小體二極管恢復(fù)dv/dt及逆變器直通的可能性?;钴S的體二極管會(huì)引起擊穿和高壓尖峰問題。
    在某些情況下,需要高(IDM)脈沖漏極電流能力來提供高(ISC)短路電流抗擾度、高輸出濾波器充電電流和高電機(jī)起動(dòng)電流。
    通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷、dv/dt和di/dt,可控制EMI.
    通過在晶圓上使用更多的絲焊來減少共源電感。
    在快速體二極管MOSFET中,體二極管的電荷生命周期縮短,因而使得tRR和QRR減小,這導(dǎo)致帶體二極管的MOSFET與外延二極管相似。該特性使得該MOSFET成為針對(duì)各種不同應(yīng)用的高頻逆變器(包括太陽能逆變器)的極佳選擇。至于逆變器橋臂,二極管由于無功電流而被迫正向?qū)?,這使得它的特性更為重要。常規(guī)MOSFET體二極管通常具有長反向恢復(fù)時(shí)間和高QRR.如果在負(fù)載電流從二極管向逆變器橋臂的互補(bǔ)MOSFET轉(zhuǎn)換的過程中,體二極管被迫正向?qū)耍敲丛趖RR的整個(gè)時(shí)間段,電源將被抽走很大的電流。這增加了MOSFET中的功率耗散,且降低了效率。而效率是非常重要的,尤其是對(duì)于太陽能逆變器而言。
    活躍體二極管還會(huì)引入瞬時(shí)直通狀況,例如,當(dāng)其在高dv/dt下恢復(fù),米勒電容中的位移電流能夠?qū)艠O充電到VTH以上,同時(shí)互補(bǔ)MOSFET會(huì)試圖導(dǎo)通。這可能引起總線電壓的瞬時(shí)短路,增加功率耗散并導(dǎo)致MOSFET失效。為避免此現(xiàn)象,可連接外部的SiC或常規(guī)硅二極管與MOSFET反向并聯(lián)。因?yàn)镸OSFET體二極管的正向電壓較低,肖特基二極管必須與MOSFET串聯(lián)連接。另外,還必須在MOSFET與肖特基二極管組合的兩端跨接反并聯(lián)SiC.當(dāng)MOSFET反偏時(shí),外部SiC二極管導(dǎo)通,并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導(dǎo)通。這種方案在太陽能逆變器中已經(jīng)變得非常普及,可以提高效率,但卻增加了成本。
    采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術(shù)功率器件,適合以上所列應(yīng)用。與UniFET MOSFET相比,由于RSP減小,UniFET II器件的晶圓尺寸也減小,這有助于改進(jìn)體二極管恢復(fù)特性。這種器件目前有兩個(gè)版本:具有較好體二極管的F型FRFET器件,和具有市場上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET.Ultra FRFET型可以省去逆變器橋臂中的SiC和肖特基二極管,同時(shí)達(dá)到相同的效率并降低成本。在這種情況下,QRR已經(jīng)從3100nC減少到260nC,并且二極管開關(guān)損耗也顯著降低。
    導(dǎo)通傳播延遲、電流和電壓振鈴被減小,串聯(lián)肖特基二極管的傳導(dǎo)損耗也被消除。相比UniFET MOSFET,UniFET II器件還具有較低的COSS,因而開關(guān)損耗被減小。
    電池供電離線UPS逆變器
    在中壓應(yīng)用中,的PowerTrench MOSFET技術(shù)是針對(duì)此類逆變器的不錯(cuò)的解決方案。
    相比于相同MOSFET,其開通損耗也降低了約20%,如圖5所示。該體二極管具有較低的tRR和QRR.根據(jù)表1,低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性。這種MOSFET技術(shù)支持離線UPS逆變器。
    開關(guān)電源市場
    通過結(jié)合改進(jìn)的電源電路拓?fù)浜透拍钆c改進(jìn)的低損耗功率器件,開關(guān)電源行業(yè)在提高功率密度、效率和可靠性方面,正在經(jīng)歷革命性的發(fā)展。移相-脈寬調(diào)制-零電壓開關(guān)-全橋(PS-PWM-FB-ZVS)和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)淅肍RFET MOSFET作為功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo)。LLC諧振轉(zhuǎn)換器通常用于較低功率應(yīng)用,而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應(yīng)用。這些拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)勢:減少了開關(guān)損耗;減少了EMI;相比準(zhǔn)諧振拓?fù)錅p少了MOSFET應(yīng)力;由于增加了開關(guān)頻率,提高了功率密度,因而減小了散熱器尺寸和變壓器尺寸。
    用于移相全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET要求包括:具有較低tRR和QRR以及最佳軟度的快速軟恢復(fù)體二極管MOSFET,這能提高dv/dt和di/dt抗擾性,降低二極管電壓尖峰,并增加可靠性;低QGD和QGD對(duì)QGS之比:在輕載下,將出現(xiàn)硬開關(guān),并且高CGD*dv/dt會(huì)引起擊穿;在關(guān)斷和導(dǎo)通期間,柵極內(nèi)部較低的分布ESR對(duì)ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布有益;輕載下,低COSS可擴(kuò)展ZVS開關(guān),此時(shí)ZVS開關(guān)變?yōu)橛查_關(guān),低COSS將減少硬開關(guān)損耗;該拓?fù)涔ぷ髟诟哳l下,需要優(yōu)化的低CISS MOSFET.
    以上應(yīng)用推薦使用FRFET、UniFET II和SupreMOS MOSFET.常規(guī)MOSFET體二極管會(huì)引起失效。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET(FCH47N60NF)就適用于此拓?fù)洌驗(yàn)閠RR和QRR已有改進(jìn)。另外,會(huì)引起失效的活躍二極管也已改進(jìn)。
    離線式AC/DC
    通常,AC電源經(jīng)整流輸入大電容濾波器,且從該電源抽取的電流為大振幅窄脈沖,該級(jí)形成了SMPS的前端。大振幅電流脈沖將產(chǎn)生諧波,而引起對(duì)其它設(shè)備的嚴(yán)重干擾,并減少可以獲得的最大功率。失真的線路電壓將引起電容器過熱、電介質(zhì)應(yīng)力和絕緣過壓;失真的線路電流將增加配電損耗,并減少可用功率。利用功率因數(shù)校正,可以確保符合管理規(guī)范,減少因上述應(yīng)力而導(dǎo)致的器件失效,并通過增加從電源獲得的最大功率,改進(jìn)器件效率。
    功率因數(shù)校正是一種使輸入盡可能變成純阻性的方法。與典型的SMPS只有0.6到0.7的功率因數(shù)值相比,這非常令人滿意,因?yàn)殡娮杈哂姓β室驍?shù)。這使得配電系統(tǒng)能夠以最高效率運(yùn)行。
    功率因數(shù)控制升壓開關(guān)的要求包括:
    低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù)。QGD和CGD會(huì)影響開關(guān)速率,低CGD和QGD會(huì)減少開關(guān)損耗,低RSP會(huì)減少傳導(dǎo)損耗。
    對(duì)于硬開關(guān)和ZVS開關(guān),低COSS將減少關(guān)斷損耗。
    低CISS將減少柵極驅(qū)動(dòng)功率,因?yàn)镻FC通常工作在100KHz以上的某個(gè)頻率。
    高dv/dt抗擾能力以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。
    如果需要MOSFET并聯(lián),高柵極閾值電壓(VTHGS)(3~5V)可以提供幫助,并且其提供的抗擾性可經(jīng)受dv/dt狀況再次出現(xiàn)帶來的影響。
    動(dòng)態(tài)開關(guān)期間,MOSFET寄生電容的突變會(huì)導(dǎo)致柵極振蕩,而增加?xùn)艠O電壓。這會(huì)影響到長期的可靠性。
    柵極ESR非常重要,因?yàn)楦逧SR會(huì)增加關(guān)斷損耗,尤其是在ZVS拓?fù)渲小?/div>
    針對(duì)這一應(yīng)用,推薦使用UniFET、UniFET II、常規(guī)SuperFET和SupreMOS MOSFET.FCH76N60N是市場上采用TO-247封裝、具有最低RDS(ON)的超級(jí)結(jié)MOSFET之一。通過SupreMOS技術(shù),設(shè)計(jì)工程師可以提高效率和功率密度。FCP190N60是最新加入到SuperFET II系列MOSFET的產(chǎn)品。相比SuperFET I MOSFET,RSP改善了1/3,使之成為離線AC-DC應(yīng)用的理想選擇。
    次級(jí)側(cè)同步整流:同步整流也被稱為“有源”整流,它采用MOSFET替代二極管。同步整流用于提升整流效率。通常,二極管的壓降會(huì)在0.7V至1.5V之間變化,而在二極管中產(chǎn)生較高功率損耗。在低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中,該壓降非常顯著,將導(dǎo)致效率下降。有時(shí)會(huì)使用肖特基整流器來代替硅二極管,但由于電壓升高,其正向壓降也將增加。在低壓轉(zhuǎn)換器中,肖特基整流無法提供足夠的效率,因而這些應(yīng)用需要同步整流。
    現(xiàn)代MOSFET的RSP已經(jīng)顯著減小,并且MOSFET的動(dòng)態(tài)參數(shù)也已得到優(yōu)化。當(dāng)二極管被替換為這些有源受控MOSFET,便可實(shí)現(xiàn)同步整流。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導(dǎo)通電阻,并且可以顯著降低MOSFET的壓降,即便是在大電流下。相比二極管整流,這顯著地提高了效率。同步整流不是硬開關(guān),它在穩(wěn)態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)通和關(guān)斷期間,MOSFET體二極管導(dǎo)通,使得MOSFET的壓降為負(fù),并引起CISS增加。由于這種軟開關(guān),柵極恒壓(plateau)轉(zhuǎn)變?yōu)榱悖瑥亩行У販p少了柵極電荷。
    以下是對(duì)同步整流的某些主要要求:低RSP;低動(dòng)態(tài)寄生電容:這減少了柵極驅(qū)動(dòng)功率,因?yàn)橥秸麟娐吠ǔ9ぷ髟诟哳l下;低QRR和COSS減少了反向電流,當(dāng)此拓?fù)涔ぷ髟诟唛_關(guān)頻率下會(huì)成為一個(gè)問題,在高開關(guān)頻率下,此反向電流充當(dāng)了大漏電流;需要低tRR、QRR和軟體二極管來避免瞬時(shí)擊穿并降低開關(guān)損耗。導(dǎo)通為零電壓開關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后,體二極管再次導(dǎo)通,當(dāng)次級(jí)電壓反向時(shí),體二極管恢復(fù),這將增加擊穿的風(fēng)險(xiǎn)?;钴S二極管可能需要在每個(gè)MOSFET上跨接一個(gè)緩沖電路;低QGD/QGS比。
    采用PowerTrench技術(shù),RSP、COSS、CRSS、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級(jí)有源整流。對(duì)于相同RDS(ON),PowerTrench的晶圓尺寸大約減小了30%,RSP減少了30%,因而在同步整流中降低了傳導(dǎo)損耗。
    有源OR-ing
    最簡單形式的OR-ing器件是一種二極管。當(dāng)OR-ing二極管失效時(shí),將通過不允許電流流入輸入電源來對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。OR-ing二極管允許電流僅以一個(gè)方向流動(dòng)。它們用于隔離冗余電源,因而一個(gè)電源的失效不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。消除單點(diǎn)失效,允許系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來保持運(yùn)行。然而,實(shí)現(xiàn)這種隔離卻有難題。一旦該OR-ing二極管插入到電流路徑中,則會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗和效率降低。該功率損耗會(huì)導(dǎo)致OR-ing二極管發(fā)熱,因而需要增加散熱器,降低系統(tǒng)的功率密度。當(dāng)二極管關(guān)斷時(shí),其反向恢復(fù)會(huì)成為一個(gè)問題——該二極管必須具有軟開關(guān)特性。為克服其中的一些問題,已使用了肖特基二極管。這些二極管和p-n二極管之間的一個(gè)重要差異,就是減小的正向壓降和可忽略的反向恢復(fù)。普通硅二極管的壓降介于0.7至1.7V之間;肖特基二極管的正向電壓降在0.2至0.55V之間。雖然肖特基二極管在用作OR-ing二極管時(shí),系統(tǒng)的傳導(dǎo)損耗降低,但肖特基二極管卻具有較大漏電流——這將帶來傳導(dǎo)損耗。該損耗低于硅二極管。
    這個(gè)問題的替代解決方案是使用功率MOSFET替代肖特基二極管。這引入了額外的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器,增加了復(fù)雜性。MOSFET的RDSON必須非常小,從而該MOSFET的壓降比肖特基二極管的正向壓降低很多,這可稱為有源OR-ing.現(xiàn)代低壓MOSFET的RDSON非常低——即便采用TO-220或D2PAK封裝,它也可以低至幾毫歐。采用PQFN56封裝的FDS7650,對(duì)于30V MOSFET可以小到低于1毫歐。當(dāng)OR-ing MOSFET導(dǎo)通時(shí),它允許電流以任一方向流動(dòng)。在失效情況下,冗余電源將產(chǎn)生大電流,因而OR-ing MOSFET必須快速關(guān)斷。的PowerTrench技術(shù)MOSFET也適用于這種應(yīng)用。
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