为你的应用选择合适的高压MOSFET

高电压MOSFET技术在过去几年中经历了很大变化，给电源工程师带来了不少选择。只要提供有关不同技术的使用指南，就可以帮助工程师选择合适的部件以达成其应用的效率和成本目标。了解不同MOSFET部件的细微差别及不同开关电路中的应力，能够帮助工程师避免诸多问题。本文除介绍简单的导通阻抗RDS(on) 以及其它MOSFET相关元素之外，并会探讨更高电流密度与更快开关速度及的意义，提供使用更先进的MOSFET取代旧型MOSFET的经验法则，并探讨在设计中利用新型MOSFET来获得更低RDS(on) 与更低闸极电荷的指引。

高电

压MOSFET部件采用两种基本制程技术：一种是比较传统的平面制程，如飞兆半导体的QFET UniFET。另一种是较新的电荷平衡技术。平面制程非常稳定和耐用，但是对于确定的活动区(active area)与崩溃电压，其导通阻抗RDS(on)远远高于电荷平衡技术(如飞兆半导体的SuperFET以及SupreMOS MOSFET)的RDS(on)。对于特定的RDS(on)，活动区大小的显著差异会通过输出电容与闸极电荷影响到MOSFET组件的热阻与开关速度等其它特性。图1所示为这三种制程技术的部份区别。

在特定崩溃电压与尺寸条件下，若传统MOSFET的RDS(on)为1Ω，最新的电荷平衡型部件(如飞兆半导体的SupreMOS MOSFET)的RDS(on)只有不到0.25Ω。如果仅仅关注RDS(on)，可能会误认为，可以在现有应用中采用传统部件四份之一大小的MOSFET部件。这种想法是错误的，因为当裸晶(die)尺寸本身更小时，它的热阻就会更高。因此，当你认识到MOSFET绝不仅仅是一个由RDS(on)表征的活动区，上述含义得到进一步验证。它还存在被称之为“边缘终端 (edge terminations)”的边缘环区，旨在防止部件出现裸晶边缘的电压崩溃，而让部件在活动区崩溃。对于更小的MOSFET，特别是对于高电压部件，该边缘区可以大于活动区，如图2所示。虽然边缘区对MOSFET的RDS(on) 没有什么贡献，但它有利于接面到管壳的热阻RэJC。因此，当RDS较高时，具有非常小的活动区并不能显著降低MOSFET的整体成本。

要了解这些差异，最好先了解一些适用于所有半导体部件的基本公式。对于任何半导体部件来说，接面温度(Tj)都是一个关键参数。一旦超过最大接面温度Tjmax ，组件就会失效。在较高的接面温度下，RDS(on)较高，寄生二极管的反向恢复性能较差，从而导致较高的功率损耗。因此，保持低Tj 有助于提高系统的效率。了解这些影响因素并能够计算出接面温度是极有帮助的。接面温度可由算式1计算：

● Tj = Ta+Pd*RэJA 算式1

算式1包含了三个主要因素：周围环境温度Ta，功耗Pd，以及接面至环境(junction-to-ambient)热阻RэJA,。Pd包括部件的传导损耗与开关损耗。

这可由算式2计算：

● Pd=D*RDS(on)*ID2+fsw*(Eon+Eoff) 算式 2

算式2中第一项代表的传导损耗很简单，其中D是工作周期，ID是泄极电流，RDS(on)是泄极至源极阻抗，它也是电流与温度的函数。用户应该查阅数据手册中关于适用于本应用运行环境的、在近似接面温度与泄极电流条件下的具体值，以获得RDS(on)的近似值。D、ID与RDS(on)的准确数值常常很难获得，所以工程师往往选择合理值的上限来进行第一次计算。例如，0.3左右的D，Tjmax下的RDS(on)，以及一般在最坏情况(即低线输入电压和最大负载)下计算得到的Id，就是一组很好的初始值。单独看上述数据，也许有人会认为只需要考虑一个参数RDS(on)，但是为了得到更低的RDS(on)，通常需要一个更大的裸晶，而这会影响到开关损耗和寄生二极管的恢复性能。

功耗公式的第二部份与开关损耗有关。这种表示形式更常见于IGBT，但fsw*(Eon+Eoff) 则能够更具体地描述功率损耗。在不同电路情况下，可能没有导通损耗(Eon)或关断损耗(Eoff)，或者是导通损耗或关断损耗非常低。对于MOSFET，这些损耗受到开关速度与恢复二极管的影响。在平面型MOSFET中，通过寿命控制来提高寄生二极管的性能比在电荷平衡型部件中更为容易。因此，如果你的应用需要MOSFET中的寄生二极管导通，例如，马达驱动的UPS和一些镇流器应用，采用一个寄生二极管特性更佳的的MOSFET比具有最低RDS(on)的MOSFET效果更好。最后，这些损耗要乘以开关频率(fsw)，关键是设计合适的闸极驱动电路，而MOSFET的输入电容是该设计中的重要因素。计算最大接面温度的另一关键部份是接面至环境的热阻RэJA，它由算式(3)计算。

RэJA= RэJC+RэCS+RэSA 算式 3

RэJC 是接面至管壳(junction to case)热阻，与裸晶的尺寸有关。RэCS是管壳至散热器(case-to-sink)热阻，与热界面及电气隔离有关，是用户参数