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选择高压场效应管实现节能

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  高压金属氧化物半导体场效应晶体管——AOD464(MOSFET)技术在过去几年中经历了很大的变化,这为电源工程师提供了许多选择。了解不同MOSFET器件的细微差别及不同切换电路的应力,能够帮助工程师避免许多问题,并实现效率最大化。经验证明,采用新型的MOSFET器件取代旧式MOSFET,除简单地导通电阻上的差异之外,更重要的是,还能实现更高的电流强度与更快的切换速度以及其他优越性能。

  技术

  高压MOSFET器件采用两种基本工艺:一种是比较常规的平面工艺;另一种是新的电荷平衡工艺。平面工艺非常稳定和耐用,但是在有源区与击穿电压一定时,导通电阻远远高于超级FET 或超级MOS的电荷平衡工艺。

  对于给定导通电阻,有源区大小的显著变化会通过输出电容与栅极电荷影响器件的热阻与切换速度。图1给出了三种工艺的导通电阻。

  图1 三种FET工艺比较

  在相同击穿电压与尺寸条件下,最新的电荷平衡型器件的导通电阻只是传统MOSFET器件的25%。如果仅关注导通电阻,可能会误认为,可以采用传统器件四分之一大小的MOSFET器件。但是,由于片基尺寸较小,它的热阻较高。

  当你意识到MOSFET不只是由导通电阻表征的有源区时,这有着进一步的启示。所谓“边缘终端”,是使器件不存在片基边缘上的电压击穿。对于更小的MOSFET器件,特别是对于高压器件,该边缘区可以大于有源区,如图2所示。边缘区不利于导通电阻,而有利于热阻(结到管壳)。因此,在较高的导通电阻条件下,具有非常小的有源区不能显著地减少器件整体的成本。

  一个图2 对于较小的MOSFET器件,边缘区甚至可大于有源区

  关键参数

  对于任何半导体器件来说,结温度(Ti)都是一个关键参数。一旦超过了器件的Ti(max),器件将会失效。较高的结温度下,导通电阻较高,体二极管的反向恢复时间较差,从而导致较高的功率损耗,因此保持低的Ti有助于系统更高效的运行。理解这一现象的影响因素并能够计算结温度是很有帮助的。结温度可由式(1)计算:

  Tj=Ta+Pd·RΦJA             (1)

  其中包括三个因素:周围环境温度Ta,功率耗散Pd与结至环境(junction-to-ambient)热阻。Pd包括器件的导通损耗与切换损耗。这可由式2计算:

  Pd=D.RDS(on).ID2+fsw.(Eon+Eoff) (2)

  第一项明确表示了导通损耗,其中D是占空比,ID是漏极电流,RDS(on)是漏极至源级电阻,它也是电流与温度的函数。应该查阅数据手册得到本应用运行环境下的结温度与漏极电流条件的具体值。

  通常难以得到D、ID与RDS(on)的具体数值,所以工程师们倾向于选择合理值的上界值。也许有人认为只需要考虑一个参数RDS(on),但是为了得到更低的RDS(on),通常需要更大的片基,这会影响切换损耗和体二极管的恢复。

  切换损耗

  功率损耗公式的第二部分与切换损耗有关。这种表示形式更常见于绝缘栅门极晶体管(IGBT),但fsw.(Eon+Eoff)更好地描述了功率损耗。在不同电流下,可能没有导通损耗或导通损耗非常低。

  这些损耗受到切换速度与恢复二极管的影响。在平面型MOSFET器件中,通过提高寿命时间控制体二极管的性能比在电荷平衡型器件中更为容易。因此,如果你的应用需要MOSFET中的体二极管导通,例如,电机驱动的不间断电源(UPS)或一些镇流器应用,改进的体二极管特性能比最低的导通电阻更有作用。

  用这些损失乘以切换频率(fsw)。关键是设计合适的栅极驱动电流,而输入电容是该设计中的重要因素。

  热阻

  计算最大结温度的另一关键是结至环境热阻RΦJA,它由式(3)计算。

  RΦJA=RΦJC+RΦCS+RΦSA       (3)

  RΦJC是结至管壳(junction-to-case)的热阻,与片基尺寸有关。RΦCS是管壳至汇点(case-to-sink)热阻,与热界面及电隔离有关,是用户参数。RΦSA汇点至环境热阻,为基本的散热与空气流动。

  半导体数据手册一般提供分立封装的节至管壳热阻与节至汇点的热阻。通常提供节至环境的热阻,但这是假设没有热损耗及器件装于静止空气中的板上,或对于一些表面配装器件,假设安装在确定铺铜量的电路板上。在大多数情况下,确定管壳至汇点及汇点至环境的热阻是由电源工程师负责的。

  热阻的重要性表现在多个方面,包括器件的额定电流,如表1所示。给出的三种不同的600V器件的额定电流均为7A,但各自的RDS(on)值与RΦJC值差异很大。由于MOSFET器件的额定电流只是由导通损耗公式决定的,因此低热阻的影响明显。

  因此,选择正确的器件实际上取决于你打算如何使用这些器件,打算使用什么切换频率,什么拓扑结构和应用中的导热路径,当然,还要考虑你准备接受的成本。

  一些通用的指导是,在不存在体二极管恢复损耗的功率因数校正(PFC)及回扫应用中,如果RDS(on)大于1Ω,高级平面工艺,例如,UniFET(II)、QFET及CFET则是较好的解决方案。这很大程度上是因为较低的RΦJC有助于器件保持较低温度。对于高RDS(on)的需求,由于边缘终端的缘故,电荷反射型器件的有缘区在整个片基区域中的比例相对较小,而平面工艺的MOSFET,即使硅片稍大,也是较为便宜的工艺,而两者封装成本大至相同。

  对于需要反向恢复的应用,在RDS(on)值与RΦJC值之外还需考察二极管特性,这一点是十分重要的。采用高级平面工艺与电荷平衡工艺的MOSFET器件均可具备改进体二极管的特性。

  在需要最低RDS(on)与快速切换的应用中,新的平衡型器件,例如SupreMOS与SuperFET,可提供最大的优势。一般而言,SuperFET器件在RDS(on)要求为0.5~1Ω之时优势最大。而SuperMOS在RDS(on)低于0.5Ω时优势明显。这一差异又是由于热阻的作用。