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(zhǎng)、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(yáng)能逆變器而言，效率至關(guān)重要，將不偏向採(cǎi)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(yáng)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(kāi)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(cǎi)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(kāi)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。

　　圖3 標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和具有相同裸晶尺寸的Ultra FRFET UniFET II MOSFET的導(dǎo)通效率比較

　　圖4 太陽(yáng)能逆變器中的Ultra FRFET元件、標(biāo)準(zhǔn)MOSFET和SiC解決方案的效率比較

　　不僅如此，特定應(yīng)用MOSFET在其他電源管理設(shè)計(jì)中，也占有非常重要的地位，包括在SMPS、離線AC-DC、同步整流控制及取代主動(dòng)OR-ing二極體的應(yīng)用解決方案，均可窺見(jiàn)蹤跡，以下將分別介紹。

提高SMPS功率密度　拓?fù)浼軜?gòu)徹底翻新

　　藉由整合電路拓?fù)涞母纳婆c更低損耗功率元件，SMPS開(kāi)發(fā)商在提高功率密度、效率和可靠性方面，正進(jìn)行一場(chǎng)革命性的發(fā)展，包括相移（Phase-Shifted）、脈寬調(diào)變（PWM）、零電壓開(kāi)關(guān)、全橋和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，均可利用FRFET MOSFET做為功率開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。除LLC諧振轉(zhuǎn)換器常用于較低的功率應(yīng)用外，其余拓?fù)浣杂迷谳^高功率。

　　這些拓?fù)渚哂幸韵碌膬?yōu)勢(shì)：減少開(kāi)關(guān)損耗、EMI，且相較于準(zhǔn)諧振拓?fù)?，減少M(fèi)OSFET應(yīng)力，由于提升開(kāi)關(guān)頻率，因而減小散熱器和變壓器尺寸，對(duì)提高功率密度大有幫助。對(duì)相移全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET要求，則包括具較低tRR和QRR，以及最佳軟度的快速軟恢復(fù)體二極體MOSFET，以提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極體的電壓尖峰并增加可靠性。同時(shí)還要有低QGD和QGD/QGS比，因在輕負(fù)載下將出現(xiàn)硬開(kāi)關(guān)，且高CGD×dv/dt可能會(huì)引起擊穿。

　　由于零電壓開(kāi)關(guān)會(huì)變?yōu)橛查_(kāi)關(guān)，降低COSS可將零電壓開(kāi)關(guān)延伸到更輕負(fù)載，從而減少硬開(kāi)關(guān)損耗。此拓?fù)溆诟哳l下運(yùn)行，需要一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的低CISS MOSFET。接著在關(guān)斷和導(dǎo)通期間，較低的分散式閘極內(nèi)部ESR對(duì)于ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布是有益的。

　　針對(duì)以上應(yīng)用要求，常規(guī)MOSFET自體二極體有時(shí)會(huì)引起失效，而SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET則相當(dāng)適用于此一拓?fù)洌騮RR和QRR，以及會(huì)引起失效的活躍二極體均有所改善。

　　導(dǎo)入PFC功能　AC-DC電源效率大增

　　另一方面，傳統(tǒng)AC電源經(jīng)整流后輸入大電容濾波器，從輸入提取的電流為狹窄的高振幅脈衝，這一級(jí)構(gòu)成SMPS的前端。當(dāng)高振幅電流脈衝產(chǎn)生諧波，將對(duì)其他設(shè)備造成嚴(yán)重干擾，此外，也減少可從電源獲得的最大功率。

　　由于失真AC電壓將使電容器過(guò)熱、電介質(zhì)應(yīng)力和絕緣過(guò)壓，而失真電流也加劇配電損耗且浪費(fèi)可用功率。為解決此一問(wèn)題，利用PFC功能方可確保符合監(jiān)管規(guī)範(fàn)，減少由上述應(yīng)力而導(dǎo)致的元件失效，并拉高電源利用效率，改善元件性能。

　　採(cǎi)用PFC可使輸入端看起來(lái)更像一個(gè)電阻，因相較于典型的0.60.7的SMPS功率因數(shù)值，該電阻具有一單位功率因數(shù)（Unity Power Factor），促使配電系統(tǒng)能以最高效率運(yùn)行。

　　至于對(duì)PFC升壓開(kāi)關(guān)的功能要求，首先是低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù)，因QGD和CGD會(huì)影響開(kāi)關(guān)速率，同時(shí)也要降低CGD、QGD和RSP，以減少導(dǎo)通與開(kāi)關(guān)損耗。此外，還要具備硬開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)，使COSS減少來(lái)壓低關(guān)斷損耗；加上PFC通常在100KHz以上的頻率運(yùn)行，亦要降低CISS減低閘極驅(qū)動(dòng)功率。

　　至于PFC運(yùn)作的可靠度，則須仰賴高dv/dt抗擾性，若需要MOSFET并聯(lián)提供抗擾性，以承受dv/dt狀況的再次出現(xiàn)，還須採(cǎi)用高閘極閾值電壓（VTHGS）（35伏特）。

　　另外，PFC動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突然改變會(huì)導(dǎo)致閘極振盪，并增加閘極電壓，將影響長(zhǎng)期的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)須留意此一情形。因高ESR會(huì)增加關(guān)斷損耗，尤其在零電壓開(kāi)關(guān)拓?fù)渲校书l極ESR的控制相當(dāng)重要。

　　改善電源壓降情形　同步整流方案崛起

　　同步整流也被稱為主動(dòng)（Active）整流，其以MOSFET取代二極體，用以提升整流效率。典型二極體的電壓降大約會(huì)在0.71.5伏特之間，使得二極體中產(chǎn)生高的功率損耗。在低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，此電壓降將非常顯著，造成效率下降。有時(shí)以蕭特基整流器來(lái)代替硅二極體來(lái)改善；然而，因?yàn)楫?dāng)電壓升高時(shí)，它的正向電壓降也會(huì)增加；且在低壓轉(zhuǎn)換器中，蕭特基二級(jí)體整流也無(wú)法提供足夠效率，促進(jìn)同步整流方案興起。

　　現(xiàn)代MOSFET的RSP已大幅減少，且動(dòng)態(tài)參數(shù)也已被優(yōu)化。當(dāng)這些主動(dòng)式的控制MOSFET替換掉二極體，就可啟動(dòng)同步整流。如今，MOSFET已可實(shí)現(xiàn)僅幾毫歐導(dǎo)通電阻，即使在大電流下亦可顯著降低兩端的電壓降，相較于二極體整流，大幅度提高效率。

　　此外，同步整流不是硬開(kāi)關(guān)，在穩(wěn)定狀態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換，且在導(dǎo)通和關(guān)斷期間，MOSFET自體二極體導(dǎo)通，使經(jīng)過(guò)MOSFET的壓降為負(fù)，增加CISS。由于這種軟開(kāi)關(guān)，閘極恆壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱悖瑢⒖捎行p少閘極電荷。

　　對(duì)同步整流的主要要求包括低RSP、低動(dòng)態(tài)寄生電容，藉此減少在高頻下運(yùn)行的同步整流電路閘極驅(qū)動(dòng)功率。此外，還須具備低QRR和COSS以減少反向電流，當(dāng)此一拓?fù)湓诟唛_(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行時(shí)，會(huì)引發(fā)一個(gè)問(wèn)題，就是在高開(kāi)關(guān)頻率下，此反向電流將可充當(dāng)高洩漏電流。

　　與此同時(shí)，為避免暫態(tài)擊穿及降低開(kāi)關(guān)損耗，還需要低tRR、QRR和軟性的自體二極體，且導(dǎo)通需為零電壓開(kāi)關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后，自體二極體再次導(dǎo)通，當(dāng)次級(jí)電壓反轉(zhuǎn)時(shí)，自體二極體恢復(fù)，使得擊穿的風(fēng)險(xiǎn)升高。對(duì)此，活躍二極體需要一個(gè)跨接MOSFET的緩衝電路，而QGD/QGS比也須具較低規(guī)格，方能用于二級(jí)側(cè)同步整流。

　　接替蕭特基二極體　MOSFET OR-ing更高效

　　至于形式最簡(jiǎn)單的OR-ing元件也是一種二極體，僅允許電流在一個(gè)方向流動(dòng)，故當(dāng)其失效時(shí)，電流不會(huì)回流入電源端，可保護(hù)輸入電源。此類二極體可用于隔離冗余電源，若一個(gè)電源失效，將不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，只要移除單