高效能低电压power mosfet及其参数与应用

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1、（电源增刊）高效能低电压PowerMOSFET及其参数与应用(图)作者：英飞凌公司林锦宏张家瑞　日期：2007-8-20　来源：本网字符大小：【大】【中】【小】前言近年来，产业的发展、有限的资源及日益严重的地球暖化现象，促使环保节能的观念逐渐受到重视，更造就各项新能源的开发，能源利用技术及新式组件或装置的发展，而能源政策的推广更使得能源概念的商机逐渐扩大。为了满足节能和降低系统功率损耗的需求，需要更高的能源转换效率，这些与时俱进的设计规范要求，对于电源转换器设计者会是日益严厉的挑战。为应对此需求，除使用各种新的转换器拓扑(topology)与电源转换技术来提高电源转换效率之外，新

2、式功率组件在高效能转换器中所扮演的重要角色，亦不容忽视。其中，PowerMOSFET目前已广泛应用于各种电源转换器。本文将简述PowerMOSFET的特性、参数与应用，除针对目前低电压PowerMOSFET的发展趋势做简单介绍外，还将简单比较新一代低压PowerMOSFET的性能。PowerMOSFET的参数与应用电源设计工程师在选用PowerMOSFET设计电源时，大多直接以PowerMOSFET的最大耐压、最大导通电流能力及导通电阻等三项参数做出初步决定。但实际上，在不同的应用电路中，PowerMOSFET的选用有更细腻的考虑因素，以下将简单介绍PowerMOSFET的参数在

3、应用上更值得注意的几项重点。1功率损耗及安全工作区域(SafeOperatingArea,SOA)对PowerMOSFET而言，决定其最大功率损耗是由温度及接触-包装外壳间之热阻所决定，即：(1)由上式可知，若能够有效减少热阻，则PowerMOSFET所能承受之的最大功率损耗就可以获得提升。因此，工艺的最大改进目标就是减少热阻。图1为PowerMOSFET之安全工作区示意图，此安全区主要是由四个条件所决定：导通电阻RDSON、最大脉冲电流IDpulse、最大功率损耗PD及最大耐压VBR。正常条件下，PowerMOSFET都必须工作在安全工作区域之内。图1 PowerMOSFET之

4、安全工作区域图2PowerMOSFET传导与并联使用PowerMOSFET的传导(transconductance,gfs)为其工作在线性区(linearregion)时，VGS与ID间的小信号增益值，可以用下式表示。gfs=ΔID/ΔVGS           (2)PowerMOSFET在导通及截止的过程中工作在线性区，因此传导的大小与导通及截止的过程中，所能流经PowerMOSFET的最大电流有关，亦即：ID=(VGS-Vth)·gfs            (3)然而在中/高电流的应用电路中，在为了提升效率所采用的PowerMOSFET并联方法下，传导值就会直接影响到在导

5、通及截止的过程中，流经各PowerMOSFET的电流均匀程度。一般而言，会采用具高传导值的PowerMOSFET，减少并联使用中的电流不均情况。3切换速度与闸极电荷(Qg)CGD充电时之VGS电压及相对应之各项波形。由图中可知，极间电容CGS及CGD在PowerMOSFET的切换速度上扮演重要的角色。Qg用以表示PowerMOSFET在导通或截止的过程中，驱动电路所必须对极间电容充电/放电之总电荷量。在一般操作之下，PowerMOSFET切换的延迟时间可用一简单公式表示。td=Qg/iG                  (4)此外，在驱动电路驱动PowerMOSFET导通及截止

6、的过程中，对PowerMOSFET的极间电容进行充/放电的栅极电荷，事实上也是一种形式的损耗，只是发生于驱动电路。若Qg值愈大，要达到高频率操作及高速切换，则需要具较高电流能力之驱动电路。PowerMOSFET之驱动损耗可以下式表示。PDRV=VDRV×QG×FSW      (5)其中，VDRV为驱动电路之驱动电压。4Qgd/Qgs1与dVDS/dt在高端MOSFET导通及低端截止的瞬间，单相同步整流降压电路架构的等效电路如图3所示。其中，输入等效电容Ciss=Cgs+Cgd；输出等效电容Coss=Cgd+Cds；反馈等效电容Crss=Cgd，内含有其他寄生电容及NPN三级管。

7、图2 PowerMOSFET栅极电荷示意图图3 高端MOSFET导通及低端MOSFET截止过程的等效电路在可能的操作条件下，低压侧PowerMOSFETQ2截止时，且VDS上升斜率dVDS/dt很高时，VDS可能经Cgd对Cgs充电。因此，为避免因这充电现象发生而导致的高/低压侧PowerMOSFET同时导通而烧毁，一般需选用(Qgd/Qgs1)<1(Qgs1表示Qgs在Vgs