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MOSFET器件選擇策略詳解

來源:深圳市譽爍鑫電子有限公司發表時間:2017-01-19

  在70年代晚期推出MOSFET之前,晶閘管和雙極結型晶體管(BJT)是僅有的功率開關。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是正溫度系數器件,而IGBT則不一定。MOSFET是多數載流子器件,因而是高頻應用的理想選擇。將直流電轉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,工作頻率是一個重要因素。相比同等MOSFET,IGBT具有較低的箝位能力。在IGBT和MOSFET之間選擇時,必須考慮逆變器輸入的直流總線電壓、功率定額、功率拓撲和工作頻率。IGBT通常用于200V及以上的應用,而MOSFET可以用于從20V到1000V的應用。雖然飛兆半導體公司擁有300V的IGBT,但MOSFET的開關頻率卻比IGBT高出許多。

  較新型的MOSFET具有更低的傳導損耗和開關損耗,在直到600V的中等電壓應用中正在取代IGBT。設計替代性能源電力系統、UPS、開關電源(SMPS)和其他工業系統的工程師正不斷設法改進這些系統的輕載和滿載效率、功率密度、可靠性和動態性能。風能是增長最快的能源之一,一個應用實例就是風力機葉片控制,其中使用了大量的MOSFET器件。通過迎合不同的應用需求,特定應用的MOSFET可以幫助實現這些改進。

  其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應用,包括易于安裝在家庭車庫和商業停車場的電動汽車(EV)充電系統。這些EV充電系統將通過光伏(PV)太陽能系統和公用電網運行。壁掛式EV充電站必須實現快速充電。對于通信電源而言,PV電池充電站也將變得重要。

  三相電機驅動和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和常規體二極管MOSFET。最近幾年,業界大量投資PV太陽能發電。大多數增長開始于住宅太陽能項目,但較大的商業項目正在出現:諸如多晶硅價格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件,都促進了巨大的市場增長。

  正在普及的并網逆變器是一種將直流電轉換為交流電并注入現有公用電網的專用逆變器。直流電源由可再生能源產生,比如小型或大型的風力機組或PV太陽能電池板。該逆變器也被稱為同步逆變器。僅當連接至電網時,并網逆變器才會工作。今天市場上的逆變器采用了不同的拓撲設計,取決于設計的權衡要求。獨立式逆變器采用不同設計,以按照整、滯后或超前功率因數供電。

  對PV太陽能系統的市場需求早已存在,因為太陽能可以幫助降低高峰電力成本,能夠消除燃料成本的波動性,可為公用電網提供更多的電力,還可作為“綠色”能源進行推廣。

  美國政府已經設定了目標,要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述,結合美國政府的目標,PV太陽能解決方案已經成為一個不斷增長的市場。這帶來了對MOSFET器件不斷增長的需求。如果優化不同拓撲的MOSFET器件,終端產品的解決方案可實現顯著的效率提升。

  高開關頻率應用需要以犧牲RDSON為代價來降低MOSFET的寄生電容,而低頻應用卻要求以降低RDSON為最高優先級。對于單端應用,MOSFET體二極管的恢復并不重要,但對于雙端應用卻非常重要,因為它們需要低tRR、QRR和更軟的體二級管恢復。在軟開關雙端應用中,這些要求對于可靠性極其重要。在硬開關應用中,隨著工作電壓增加,導通和關斷損耗也將增加。為減少關斷損耗,可以根據RDSON來優化CRSS和COSS。

  MOSFET支持零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)拓撲,不過IGBT卻僅支持ZCS拓撲。通常,IGBT用于大電流和低頻開關,而MOSFET則用于小電流和高頻開關?;旌夏J椒抡婀ぞ呖梢杂脕碓O計特定應用的MOSFET。在硅和溝槽技術方面的進展降低了導通電阻(RDSON)和其他動態寄生電容,并改進了MOSFET的體二極管恢復性能。封裝技術也在這些特定應用的MOSFET中發揮了作用。

  逆變器系統

  DC-AC逆變器廣泛用于電機驅動、UPS和綠色能源系統。通常,高電壓和大功率的系統使用IGBT,但對于低壓、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逆變器和電機驅動逆變器的高頻DC-AC逆變器中,MOSFET已獲得普及。在直流總線電壓大于400V的某些應用中,高壓MOSFET被用于小功率應用。MOSFET具有一個固有的開關性能很差的體二極管,該二極管通常會在逆變器橋臂的互補MOSFET中帶來高開通損耗。在單開關或單端應用(例如PFC、正激或反激轉換器)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、重量和成本的負擔;高載頻逆變器的優勢則是更小、更低成本的低通濾波器設計。MOSFET是這些逆變器應用的理想之選,因為它們可以工作在較高的開關頻率下。這能減少射頻干擾(RFI),因為開關頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內部流動,從而消除了向外流動。

  針對逆變器應用的MOSFET的要求包括:

  特定的導通電阻(RSP)應該較小,來減少導通損耗。器件到器件的RDSON變化應該較小,這有兩個目的: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);對于相同的RDSON,低RSP可以減少晶圓尺寸,從而降低成本。

  當晶圓尺寸減小時,可以使用非箝位感應開關(UIS)。應該采用良好的UIS來設計MOSFET單元結構,且不能有太多的讓步。通常,對于相同的晶圓尺寸,相比平面MOSFET,現代溝槽MOSFET具有良好的UIS。薄晶圓減小了熱阻(RthJC),在這種情況下,較低的品質因數(FOM)可以表示為RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作區(SOA)和較低的跨導。

  會有少量柵漏電容(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。因為這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。

  即使在該應用中工作頻率已較低,但降低COSS有助于減少開關損耗。同時也允許稍微增大COSS。

  開關期間的COSS和CGD突變會引起柵極振蕩和較高過沖,長時間后將有可能損壞柵極。這種情況下,高源漏dv/dt會成為問題。

  高柵極閾值電壓(VTH)可以實現更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯。VTH應該超過3V。

  體二極管恢復:需要具有低反向恢復電荷(QRR)和低反向恢復時間(tRR)的更軟、更快的體二級管。同時,軟度因子S(Tb/Ta)應大于1。這將減小體二極管恢復dv/dt及逆變器直通的可能性?;钴S的體二極管會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起動電流。

  通過控制MOSFET的開通和關斷、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成為針對各種不同應用的高頻逆變器(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導通,這使得它的特性更為重要。常規MOSFET體二極管通常具有長反向恢復時間和高QRR。如果在負載電流從二極管向逆變器橋臂的互補MOSFET轉換的過程中,體二極管被迫正向導通了,那么在tRR的整個時間段,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,尤其是對于太陽能逆變器而言。

  活躍體二極管還會引入瞬時直通狀況,例如,當其在高dv/dt下恢復,米勒電容中的位移電流能夠對柵極充電到VTH以上,同時互補MOSFET會試圖導通。這可能引起總線電壓的瞬時短路,增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此現象,可連接外部的SiC或常規硅二極管與MOSFET反向并聯。因為MOSFET體二極管的正向電壓較低,肖特基二極管必須與MOSFET串聯連接。另外,還必須在MOSFET與肖特基二極管組合的兩端跨接反并聯SiC。當MOSFET反偏時,外部SiC二極管導通,并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導通。這種方案在太陽能逆變器中已經變得非常普及,可以提高效率,但卻增加了成本。

  飛兆半導體采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術功率器件,適合以上所列應用。與UniFET MOSFET相比,由于RSP減小,UniFET II器件的晶圓尺寸也減小,這有助于改進體二極管恢復特性。這種器件目前有兩個版本: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,同時達到相同的效率并降低成本。在這種情況下,QRR已經從3100nC減少到260nC,并且二極管開關損耗也顯著降低。

  導通傳播延遲、電流和電壓振鈴被減小,串聯肖特基二極管的傳導損耗也被消除。相比UniFET MOSFET,UniFET II器件還具有較低的COSS,因而開關損耗被減小。

  電池供電離線UPS逆變器

  在中壓應用中,飛兆半導體的PowerTrench MOSFET技術是針對此類逆變器的不錯的解決方案。

  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。根據表1,低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性。這種MOSFET技術支持離線UPS逆變器。

  開關電源市場

  通過結合改進的電源電路拓撲和概念與改進的低損耗功率器件,開關電源行業在提高功率密度、效率和可靠性方面,正在經歷革命性的發展。移相-脈寬調制-零電壓開關-全橋(PS-PWM-FB-ZVS)和LLC諧振轉換器拓撲利用FRFET MOSFET作為功率開關實現了這些目標。LLC諧振轉換器通常用于較低功率應用,而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應用。這些拓撲具有以下優勢:減少了開關損耗;減少了EMI;相比準諧振拓撲減少了MOSFET應力;由于增加了開關頻率,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轉換器和LLC諧振轉換器應用的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QGS之比:在輕載下,將出現硬開關,并且高CGD*dv/dt會引起擊穿;在關斷和導通期間,柵極內部較低的分布ESR對ZVS關斷和不均勻電流分布有益;輕載下,低COSS可擴展ZVS開關,此時 ZVS開關變為硬開關,低COSS將減少硬開關損耗;該拓撲工作在高頻下,需要優化的低CISS MOSFET。

  以上應用推薦使用FRFET、UniFET II和SupreMOS MOSFET。常規MOSFET體二極管會引起失效。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET(FCH47N60NF)就適用于此拓撲,因為tRR和QRR已有改進。另外,會引起失效的活躍二極管也已改進。

  離線式AC/DC

  通常,AC電源經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,該級形成了SMPS的前端。大振幅電流脈沖將產生諧波,而引起對其它設備的嚴重干擾,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、電介質應力和絕緣過壓;失真的線路電流將增加配電損耗,并減少可用功率。利用功率因數校正,可以確保符合管理規范,減少因上述應力而導致的器件失效,并通過增加從電源獲得的最大功率,改進器件效率。

  功率因數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的功率因數值相比,這非常令人滿意,因為電阻具有整功率因數。這使得配電系統能夠以最高效率運行。

  功率因數控制升壓開關的要求包括:

  低QGD×RSP品質因數。QGD和CGD會影響開關速率,低CGD和QGD會減少開關損耗,低RSP會減少傳導損耗。

  對于硬開關和ZVS開關,低COSS將減少關斷損耗。

  低CISS將減少柵極驅動功率,因為PFC通常工作在100KHz以上的某個頻率。

  高dv/dt抗擾能力以實現可靠運行。

  如果需要MOSFET并聯,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受dv/dt狀況再次出現帶來的影響。

  動態開關期間,MOSFET寄生電容的突變會導致柵極振蕩,而增加柵極電壓。這會影響到長期的可靠性。

  柵極ESR非常重要,因為高ESR會增加關斷損耗,尤其是在ZVS拓撲中。

  針對這一應用,推薦使用UniFET、UniFET II、常規SuperFET和SupreMOS MOSFET。FCH76N60N是市場上采用TO-247封裝、具有最低RDS(ON)的超級結MOSFET之一。通過SupreMOS技術,設計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的產品。相比SuperFET I MOSFET,RSP改善了1/3,使之成為離線AC-DC應用的理想選擇。

  次級側同步整流: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,二極管的壓降會在0.7V至1.5V之間變化,而在二極管中產生較高功率損耗。在低壓DC/DC轉換器中,該壓降非常顯著,將導致效率下降。有時會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。在低壓轉換器中,肖特基整流無法提供足夠的效率,因而這些應用需要同步整流。

  現代MOSFET的RSP已經顯著減小,并且MOSFET的動態參數也已得到優化。當二極管被替換為這些有源受控MOSFET,便可實現同步整流。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導通電阻,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,它在穩態下具有零電壓轉換。在導通和關斷期間,MOSFET體二極管導通,使得MOSFET的壓降為負,并引起CISS增加。由于這種軟開關,柵極恒壓(plateau)轉變為零,從而有效地減少了柵極電荷。

  以下是對同步整流的某些主要要求:低RSP;低動態寄生電容:這減少了柵極驅動功率,因為同步整流電路通常工作在高頻下;低QRR和COSS減少了反向電流,當此拓撲工作在高開關頻率下會成為一個問題,在高開關頻率下,此反向電流充當了大漏電流;需要低tRR、QRR和軟體二極管來避免瞬時擊穿并降低開關損耗。導通為零電壓開關。在MOSFET通道關斷后,體二極管再次導通,當次級電壓反向時,體二極管恢復,這將增加擊穿的風險?;钴S二極管可能需要在每個MOSFET上跨接一個緩沖電路;低QGD/QGS比。

  采用飛兆半導體PowerTrench技術,RSP、COSS、CRSS、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級有源整流。對于相同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損耗。

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