高效能低电压Power MOSFET及其参数与应用

Power MOSFET在VDS》BVDSS后会进入崩溃区（Avalanche），其操作如同一齐那二极管，当能量超过某一值时，会造成雪崩击穿 （Avalanche Breakdown）。在正常使用情况下，功率晶体应避免操作于此情况。在Power MOSFET的规格表中标示有“EAS”及”EAR”参数，此参数分别代表进入崩溃时，Power MOSFET能够忍受的单次脉波及重复性脉波最大能量。

　　单次脉冲崩溃能量：EAS=1/2×VBS×IAS×tAV

　　重复性脉冲崩溃能量：EAR=1/2×VBR×IAR×tAV

　　其中，tAV表示Power MOSFET进入崩溃时之延续时间。

　　雪崩击穿一般可分为两种损坏模式： （1）高能量雪崩击穿损坏，属于高电感、低电流且长时间雪崩击穿，导致积热无法及时散逸而使得Power MOSFET损坏，例如驱动马达的应用；（2）低能量雪崩击穿损坏，属于低电感、高电流且短时间雪崩击穿，导致瞬间过热无法及时散逸而使得功率MOSFET损坏，如个人计算机主机板之中央处理器（CPU）核心电源（Vcore）的应用。大部分的功率MOSFET的损坏是由于过大的能量（Electrical Over Stress;EOS）加于组件而导致过热或超出安全工作范围而引发的。

　　Power MOSFET损耗分析与设计趋势

　　以同步整流降压转换器做损耗分析，可说明目前Power MOSFET在应用电路中的各项功率损耗情况。

　　对高端的Power MOSFET而言，其功率损耗为：

　　Ploss，Q1=导通损耗+切换损耗+驱动损耗+电容性损耗，亦即：

　　 （6）

　　而低端之同步整流 Power MOSFET之功率损耗为：

　　Ploss，Q2=导通损耗+驱动损耗+电容性损耗+本体二极管回复损耗，亦即：

　　 （7）

　　从式（6）、（7）可知，Power MOSFET主要的损耗来源有三：（1）导通电阻造成导通损失；（2）闸极电荷造成驱动电路上的损耗及切换损失；（3）输出电容在截止/导通的过程中造成Power MOSFET的储能/耗能。值得注意的是，除了导通损耗以外，其余各项损耗均与Power MOSFET之极间电容或门极电荷及切换频率呈正比。亦即，若要在较高频率操作，必须选用较低极间电容或门极电荷之Power MOSFET，可以有效减少高频率下之切换损失。

　　而Power MOSFET发展趋势亦是以减少导通/切换损耗、快速切换为目标，使其所应用之电源供应装置，能够达到效率高、轻量化、小型化及稳定性高之产品设计目标。以下将说明现今低压Power MOSFET之发展趋势，并以Infineon Technologies公司所生产之新一代OptiMOS？为例，比较性能优劣。

　 　1 低导通电阻及高效能切换特性

　　对大部份的应用而言，导通时所造成之导通损耗，仍占整体Power MOSFET损耗的大部份，因此各家厂商均致力于降低Power MOSFET之导通电阻。Power MOSFET的最低导通电阻从1996年的12mΩ降到2007年的2mΩ。目前，Super SO8封装的OptiMOS？ Power MOSFET，最大额定导通电阻仅为1.6mΩ，如此低的导通电阻大幅地减少了导通损耗，提高了应用电路的功率密度。

　　如前述，栅极电荷为造成切换损耗及驱动损耗之主要成因。Super SO8封装的OptiMOS？比OptiMOS？在相同的切换频率下，有较低的栅极驱动损耗，使得驱动电路的负载降低约30%，降低了驱动器工作温度。

　　2 高功率/低热阻

　　由式（2）可知，Power MOSFET所能承受的最大功率损耗，是由Die的接触面到外壳间的热阻所决定，因此要达到高功率并减少导通电阻的目的，除了改良开发新的Power MOSFET或工艺技术外，封装的方式亦扮演着重要的角色。Super SO-8的封装相较于传统之SO-8封装，除了将Die直接连接到Leadframe大幅度减少热阻外，采用Clip连接方式，减少在焊接点及接触点的电阻外，进而减少等效导通电阻外和组件本身的寄生电感也是其特点。

　　为应对小型化或小功率电路的需求，Infineon Technologies另采用了全新的高性能Shrink Super SO8（S3O8）封装（3mm×3mm）。如图4所示，这将使转换器系统设计中所需的MOSFET板面面积减小约60%。除了可用来开发小型DC/DC转换器之外，还可用于提高特定标准尺寸电源的输出功率。

　　图4 SO-8、Super SO8与S308尺寸比较图

　　效能测试

　　以下将以单相同步整流降压转换器，分别测试不同低压Power MOSFET在不同切换频率下的效率及温升表现，验证前述之论点，表1为效能测试条件。

　　以200kHz操作频率进行测试，依据图5，OptiMOS？的最高效率约可较OptiMOS？高0.4%，较同类产品1高1%，较同类产品2高5%；在图6中，OptiMOS？的温升，约可较OptiMOS？低2～3℃，较同类产品1低4～5℃，较同类产品2低9～10℃。

　　图5 效率比较图（faw＝200KHZ）

　　图6 温升比较图（fsw＝200KHZ）

以400kHz操作频率进行测试，依据测试结果，在图7中，OptiMOS？的最高效率约可较OptiMOS？高0.8%，较同类产品1高2%，较同类产