高電壓MOSFET技術在過去幾年中經歷了很大變化，給電源工程師帶來了不少選擇。只要提供有關不同技術的使用指南，就可以幫助工程師選擇合適的元件以達成其應用的效率和成本目標。瞭解不同MOSFET元件的細微差別及不同開關電路中的應力，能夠幫助工程師避免諸多問題。本文除介紹簡單的導通阻抗RDS(on) 以及其它MOSFET相關元素之外，並會探討更高電流密度與更快開關速度及的意義，提供使用更先進的MOSFET取代舊型MOSFET的經驗法則，並探討在設計中利用新型MOSFET來獲得更低RDS(on) 與更低閘極電荷的指引。
製程差異
高電壓MOSFET元件採用兩種基本製程技術：一種是比較傳統的平面製程，如快捷半導體的QFET UniFET。另一種是較新的電荷平衡技術。平面製程非常穩定和耐用，但是對於確定的活動區（active area）與崩潰電壓，其導通阻抗RDS(on) 遠遠高於電荷平衡技術(如快捷半導體的SuperFET™以及SupreMOS™ MOSFET)的RDS(on) 。對於特定的RDS(on)，活動區大小的顯著差異會通過輸出電容與閘極電荷影響到MOSFET元件的熱阻與開關速度等其它特性。圖1所示為這三種製程技術的部份區別。
圖1三種高電壓MOSFET製程技術的部份區別
在特定崩潰電壓與尺寸條件下，若傳統MOSFET的RDS(on) 為 1W，最新的電荷平衡型元件(如快捷半導體的SupreMOS MOSFET)的RDS(on)只有不到0.25W。如果僅僅關注RDS(on)，可能會誤認為，可以在現有應用中採用傳統元件四份之一大小的MOSFET元件。這種想法是錯誤的，因為當裸晶(die)尺寸本身更小時，它的熱阻就會更高。因此，當你認識到MOSFET絕不僅僅是一個由RDS(on)表徵的活動區，上述含義得到進一步驗證。它還存在被稱之為「邊緣終端 (edge terminations)」的邊緣環區，旨在防止元件出現裸晶邊緣的電壓崩潰，而讓元件在活動區崩潰。對於更小的MOSFET，特別是對於高電壓元件，該邊緣區可以大於活動區，如圖2所示。雖然邊緣區對MOSFET的RDS(on) 沒有什麼貢獻，但它有利於接面到管殼的熱阻RqJC。因此，當RDS較高時，具有非常小的活動區並不能顯著降低MOSFET的整體成本。
圖2
功耗公式解說
要瞭解這些差異，最好先瞭解一些適用於所有半導體元件的基本公式。對於任何半導體元件來說，接面溫度(Tj)都是一個關鍵參數。一旦超過最大接面溫度Tjmax ，元件就會失效。在較高的接面溫度下，RDS(on)較高，寄生二極體的反向恢復性能較差，從而導致較高的功率損耗。因此，保持低Tj 有助於提高系統的效率。瞭解這些影響因素並能夠計算出接面溫度是極有幫助的。接面溫度可由算式1計算：
• Tj = Ta+Pd*RqJA 算式1
式1包含了三個主要因素：周圍環境溫度Ta，功耗Pd，以及接面至環境(junction-to-ambient)熱阻RqJA,。Pd包括元件的傳導損耗與開關損耗。這可由算式2計算：
• Pd= D* RDS(on) *ID2 + fsw*(Eon+Eoff) 算式 2
算式2中第一項代表的傳導損耗很簡單，其中D是工作週期，ID是洩極電流，RDS(on)是洩極至源極阻抗，它也是電流與溫度的函數。使用者應該查閱資料手冊中關於適用於本應用運行環境的、在近似接面溫度與洩極電流條件下的具體值，以獲得RDS(on)的近似值。D、ID與RDS(on)的準確數值常常很難獲得，所以工程師往往選擇合理值的上限來進行第一次計算。例如，0.3左右的D，Tjmax下的RDS(on)，以及一般在最壞情況(即低線輸入電壓和最大負載)下計算得到的Id，就是一組很好的初始值。單獨看上述資料，也許有人會認為只需要考慮一個參數RDS(on)，但是為了得到更低的RDS(on)，通常需要一個更大的裸晶，而這會影響到開關損耗和寄生二極體的恢復性能。
功耗公式的第二部份與開關損耗有關。這種表示形式更常見於IGBT，但fsw*(Eon+Eoff) 則能夠更具體地描述功率損耗。在不同電路情況下，可能沒有導通損耗(Eon)或關斷損耗(Eoff)，或者是導通損耗或關斷損耗非常低。對於MOSFET，這些損耗受到開關速度與恢復二極體的影響。在平面型MOSFET中，通過壽命控制來提高寄生二極體的性能比在電荷平衡型元件中更為容易。因此，如果你的應用需要MOSFET中的寄生二極體導通，例如，馬達驅動的UPS和一些鎮流器應用，採用一個寄生二極體特性更佳的的MOSFET比具有最低RDS(on) 的MOSFET效果更好。最後，這些損耗要乘以開關頻率(fsw)，關鍵是設計合適的閘極驅動電路，而MOSFET的輸入電容是該設計中的重要因素。
計算最大接面溫度的另一關鍵部份是接面至環境的熱阻RΦJA，它由算式(3)計算。
• RqJA = RqJC+RqCS+RqSA 算式 3
RqJC 是接面至管殼(junction to case)熱阻，與裸晶的尺寸有關。RqCS是管殼至散熱器(case-to-sink)熱阻，與熱介面及電氣隔離有關，是用戶參數。RqSA是散熱器至環境熱阻，主要與散熱器及空氣流動有關。
半導體資料手冊一般提供離散封裝的接面至管殼熱阻與接面至散熱器熱阻。資料手冊裡也常常會提供接面至環境熱阻，但其假設條件是沒有散熱器而且元件安裝在靜止空氣中的電路板上，或者對於一些表面安裝元件，假設安裝在確定鋪銅量的電路板上。在大多數情況下，確定管殼至散熱器熱阻以及散熱器至環境熱阻是由電源工程師負責的。
熱阻的重要性表現在多個方面，包括元件的額定電流，如下表所示。表1中列出的三種不同600V元件的額定電流均為7A，但彼此的RDS(on)值與RqJC值相差極大。由於MOSFET的額定電流完全由傳導損耗公式決定，因此熱阻降低的影響十分明顯。
RDS(ON) (max) ~0.52ohm ~1ohm >1ohm
技術 Supremos (先進的電荷平衡技術) SuperFet (電荷平衡技術) Unifet (II) ,Qfet 或 Cfet (平面技術)
產品(s) FCP7N60NT 0.52 ohm, 1.95oC/W FCD7N60 0.60 ohm 1.5oC/W FQB7N60 1.0 ohm 0.88oC/W
表1
因此，選擇正確的元件實際上取決於你打算如何使用這些元件，打算採用什麼開關頻率，什麼拓撲結構和應用中的導熱路徑，當然，還要考慮你準備接受的成本。
一些通用的指引是，在沒有寄生二極體恢復損耗的功率因數校正(PFC)和返馳式應用中，如果滿足效率要求所需的RDS(on)大於1Ω，先進的平面製程是更好的解決方案，例如UniFET™ (II)、QFET 或 CFET。這主要是因為較低的RqJC有助於MOSFET元件保持較低溫度。對於這種較大RDS(on)的需求，由於邊緣終端的緣故，電荷反射型元件的活動區只占整個裸晶面積的較小比例。參見圖1和圖2。對於這些應用，平面MOSFET，即使矽片尺寸稍大，也是成本較低的製程，此外兩者封裝成本也差不多。
對於需要反向恢復的應用，除RDS(on) 和 RqJC值之外，還必須關注寄生二極體的其它特性，這一點是非常重要的。採用先進平面技術與新型電荷平衡技術的MOSFET元件都具有更好的寄生二極體特性。這些元件系列包括採用先進平面技術的UniFET FRFET 和 Ultra FRFET II ，以及採用新型電荷平衡技術的SuperFET MOSFET和 SupreMOS™ MOSFET。
在需要最低RDS(on)與快速開關的應用中，新的平衡型元件，比如SupreMOS與SuperFET，可提供最大的優勢。由於閘極電荷、RDS(on) 和RqJC的崩潰值各有差異， 一般而言，SuperFET™在RDS(on)要求為0.5-1Ω時具有最大優勢；而SuperMOS™在RDS(on)低於0.5Ω時優勢明顯，這一差異也是由於熱阻的影響。
結語
由於節約1W電比發1W電更有價值，功率電子工程師將繼續致力於在每個應用中採用更高效的解決方案。我們必須謹記，影響功耗的因素有很多，包括電路拓撲和MOSFET上的應力。同時MOSFET的阻抗損耗、開關損耗以及熱特性也非常重要。隨著開關頻率的提高，開關損耗(可能包括寄生二極體恢復)也增加了，在某些拓撲中，這些損耗可能比「RDS(on)」造成的傳導損耗更顯著。即使在開關損耗最小的諧振拓撲中，MOSFET的寄生二極體也作用重大，如果它的反向恢復時間「trr」太長，就可能無法獲得內在拓撲提供的效率優勢。因此，透徹瞭解公式1、2、3，並掌握如何把它們運用到你的應用中，將能夠幫助你選擇具有正確特性的MOSFET，最終實現更高效的解決方案。在所有應用中，使MOSFET保持盡可能低的溫度將有助於提高電源的效率。這是因為RDS(on)和 Qrr 隨溫度增加而增加，所以，在更高效的設計中，密切關注熱路徑及其所有元件非常關鍵。
製程差異
高電壓MOSFET元件採用兩種基本製程技術：一種是比較傳統的平面製程，如快捷半導體的QFET UniFET。另一種是較新的電荷平衡技術。平面製程非常穩定和耐用，但是對於確定的活動區（active area）與崩潰電壓，其導通阻抗RDS(on) 遠遠高於電荷平衡技術(如快捷半導體的SuperFET™以及SupreMOS™ MOSFET)的RDS(on) 。對於特定的RDS(on)，活動區大小的顯著差異會通過輸出電容與閘極電荷影響到MOSFET元件的熱阻與開關速度等其它特性。圖1所示為這三種製程技術的部份區別。
圖1三種高電壓MOSFET製程技術的部份區別
在特定崩潰電壓與尺寸條件下，若傳統MOSFET的RDS(on) 為 1W，最新的電荷平衡型元件(如快捷半導體的SupreMOS MOSFET)的RDS(on)只有不到0.25W。如果僅僅關注RDS(on)，可能會誤認為，可以在現有應用中採用傳統元件四份之一大小的MOSFET元件。這種想法是錯誤的，因為當裸晶(die)尺寸本身更小時，它的熱阻就會更高。因此，當你認識到MOSFET絕不僅僅是一個由RDS(on)表徵的活動區，上述含義得到進一步驗證。它還存在被稱之為「邊緣終端 (edge terminations)」的邊緣環區，旨在防止元件出現裸晶邊緣的電壓崩潰，而讓元件在活動區崩潰。對於更小的MOSFET，特別是對於高電壓元件，該邊緣區可以大於活動區，如圖2所示。雖然邊緣區對MOSFET的RDS(on) 沒有什麼貢獻，但它有利於接面到管殼的熱阻RqJC。因此，當RDS較高時，具有非常小的活動區並不能顯著降低MOSFET的整體成本。
圖2
功耗公式解說
要瞭解這些差異，最好先瞭解一些適用於所有半導體元件的基本公式。對於任何半導體元件來說，接面溫度(Tj)都是一個關鍵參數。一旦超過最大接面溫度Tjmax ，元件就會失效。在較高的接面溫度下，RDS(on)較高，寄生二極體的反向恢復性能較差，從而導致較高的功率損耗。因此，保持低Tj 有助於提高系統的效率。瞭解這些影響因素並能夠計算出接面溫度是極有幫助的。接面溫度可由算式1計算：
• Tj = Ta+Pd*RqJA 算式1
式1包含了三個主要因素：周圍環境溫度Ta，功耗Pd，以及接面至環境(junction-to-ambient)熱阻RqJA,。Pd包括元件的傳導損耗與開關損耗。這可由算式2計算：
• Pd= D* RDS(on) *ID2 + fsw*(Eon+Eoff) 算式 2
算式2中第一項代表的傳導損耗很簡單，其中D是工作週期，ID是洩極電流，RDS(on)是洩極至源極阻抗，它也是電流與溫度的函數。使用者應該查閱資料手冊中關於適用於本應用運行環境的、在近似接面溫度與洩極電流條件下的具體值，以獲得RDS(on)的近似值。D、ID與RDS(on)的準確數值常常很難獲得，所以工程師往往選擇合理值的上限來進行第一次計算。例如，0.3左右的D，Tjmax下的RDS(on)，以及一般在最壞情況(即低線輸入電壓和最大負載)下計算得到的Id，就是一組很好的初始值。單獨看上述資料，也許有人會認為只需要考慮一個參數RDS(on)，但是為了得到更低的RDS(on)，通常需要一個更大的裸晶，而這會影響到開關損耗和寄生二極體的恢復性能。
功耗公式的第二部份與開關損耗有關。這種表示形式更常見於IGBT，但fsw*(Eon+Eoff) 則能夠更具體地描述功率損耗。在不同電路情況下，可能沒有導通損耗(Eon)或關斷損耗(Eoff)，或者是導通損耗或關斷損耗非常低。對於MOSFET，這些損耗受到開關速度與恢復二極體的影響。在平面型MOSFET中，通過壽命控制來提高寄生二極體的性能比在電荷平衡型元件中更為容易。因此，如果你的應用需要MOSFET中的寄生二極體導通，例如，馬達驅動的UPS和一些鎮流器應用，採用一個寄生二極體特性更佳的的MOSFET比具有最低RDS(on) 的MOSFET效果更好。最後，這些損耗要乘以開關頻率(fsw)，關鍵是設計合適的閘極驅動電路，而MOSFET的輸入電容是該設計中的重要因素。
計算最大接面溫度的另一關鍵部份是接面至環境的熱阻RΦJA，它由算式(3)計算。
• RqJA = RqJC+RqCS+RqSA 算式 3
RqJC 是接面至管殼(junction to case)熱阻，與裸晶的尺寸有關。RqCS是管殼至散熱器(case-to-sink)熱阻，與熱介面及電氣隔離有關，是用戶參數。RqSA是散熱器至環境熱阻，主要與散熱器及空氣流動有關。
半導體資料手冊一般提供離散封裝的接面至管殼熱阻與接面至散熱器熱阻。資料手冊裡也常常會提供接面至環境熱阻，但其假設條件是沒有散熱器而且元件安裝在靜止空氣中的電路板上，或者對於一些表面安裝元件，假設安裝在確定鋪銅量的電路板上。在大多數情況下，確定管殼至散熱器熱阻以及散熱器至環境熱阻是由電源工程師負責的。
熱阻的重要性表現在多個方面，包括元件的額定電流，如下表所示。表1中列出的三種不同600V元件的額定電流均為7A，但彼此的RDS(on)值與RqJC值相差極大。由於MOSFET的額定電流完全由傳導損耗公式決定，因此熱阻降低的影響十分明顯。
RDS(ON) (max) ~0.52ohm ~1ohm >1ohm
技術 Supremos (先進的電荷平衡技術) SuperFet (電荷平衡技術) Unifet (II) ,Qfet 或 Cfet (平面技術)
產品(s) FCP7N60NT 0.52 ohm, 1.95oC/W FCD7N60 0.60 ohm 1.5oC/W FQB7N60 1.0 ohm 0.88oC/W
表1
因此，選擇正確的元件實際上取決於你打算如何使用這些元件，打算採用什麼開關頻率，什麼拓撲結構和應用中的導熱路徑，當然，還要考慮你準備接受的成本。
一些通用的指引是，在沒有寄生二極體恢復損耗的功率因數校正(PFC)和返馳式應用中，如果滿足效率要求所需的RDS(on)大於1Ω，先進的平面製程是更好的解決方案，例如UniFET™ (II)、QFET 或 CFET。這主要是因為較低的RqJC有助於MOSFET元件保持較低溫度。對於這種較大RDS(on)的需求，由於邊緣終端的緣故，電荷反射型元件的活動區只占整個裸晶面積的較小比例。參見圖1和圖2。對於這些應用，平面MOSFET，即使矽片尺寸稍大，也是成本較低的製程，此外兩者封裝成本也差不多。
對於需要反向恢復的應用，除RDS(on) 和 RqJC值之外，還必須關注寄生二極體的其它特性，這一點是非常重要的。採用先進平面技術與新型電荷平衡技術的MOSFET元件都具有更好的寄生二極體特性。這些元件系列包括採用先進平面技術的UniFET FRFET 和 Ultra FRFET II ，以及採用新型電荷平衡技術的SuperFET MOSFET和 SupreMOS™ MOSFET。
在需要最低RDS(on)與快速開關的應用中，新的平衡型元件，比如SupreMOS與SuperFET，可提供最大的優勢。由於閘極電荷、RDS(on) 和RqJC的崩潰值各有差異， 一般而言，SuperFET™在RDS(on)要求為0.5-1Ω時具有最大優勢；而SuperMOS™在RDS(on)低於0.5Ω時優勢明顯，這一差異也是由於熱阻的影響。
結語
由於節約1W電比發1W電更有價值，功率電子工程師將繼續致力於在每個應用中採用更高效的解決方案。我們必須謹記，影響功耗的因素有很多，包括電路拓撲和MOSFET上的應力。同時MOSFET的阻抗損耗、開關損耗以及熱特性也非常重要。隨著開關頻率的提高，開關損耗(可能包括寄生二極體恢復)也增加了，在某些拓撲中，這些損耗可能比「RDS(on)」造成的傳導損耗更顯著。即使在開關損耗最小的諧振拓撲中，MOSFET的寄生二極體也作用重大，如果它的反向恢復時間「trr」太長，就可能無法獲得內在拓撲提供的效率優勢。因此，透徹瞭解公式1、2、3，並掌握如何把它們運用到你的應用中，將能夠幫助你選擇具有正確特性的MOSFET，最終實現更高效的解決方案。在所有應用中，使MOSFET保持盡可能低的溫度將有助於提高電源的效率。這是因為RDS(on)和 Qrr 隨溫度增加而增加，所以，在更高效的設計中，密切關注熱路徑及其所有元件非常關鍵。
