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　　自体二极体对效率影响甚巨

　　本文讨论的快速自体二极体MOSFET，因自体二极体的离子寿命被压缩，故减少tRR和QRR，让MOSFET的自体与外延二极体极为相似。这种特性使此一MOSFET适用于各种不同应用的高频逆变器。至于逆变器桥臂，二极体由于反向电流而被迫正向导通，更加突显此特性的重要性。

　　相形之下，常规MOSFET的自体二极体一般反向恢復时间长、QRR值高，若此自体二极体被迫导通，负载电流则改变方向，从二极体流向逆变器桥臂中的互补MOSFET；那么，在整个tRR期间，可从电源获得大电流。这增加MOSFET中的功率耗散，并降低效率，尤其对太阳能逆变器而言，效率至关重要，将不偏向採用此一设计。

　　更重要的是，活跃自体二极体还会引入暂态击穿状况，例如，当其在高dv/dt下恢復，米勒电容中的位移电流能对闸极充电，达到VTH以上，同时互补MOSFET正试图导通。这可能引起汇流排电压的暂态短路，增加功率耗散并导致MOSFET失效。为避免此一现象，可在外部加碳化硅（SiC）或常规硅二极体，并以与MOSFET反向平行的方式进行连接。因为MOSFET自体二极体的正向电压低，必须加上萧特基二极体（Schottky Diode）与MOSFET串联。

　　此外，一个反向平行的SiC须跨接在此一MOSFET和萧特基二极体的组合之上（图1）。当MOSFET反向偏压时，外部SiC二极体导通，串接的萧特基二极体不会允许MOSFET自体二极体导通。这种架构在太阳能逆变器中已变得非常普及，可以提高效率，但将增加成本。

　　图1 以Ultra FRFET MOSFET（b）取代逆变器桥臂中失效的常规FET自体二极体（a）

　　要满足上述所有应用，搭载快捷（Fairchild）FRFET技术的UniFET II高压MOSFET功率元件，将是有效的解决方案。相较于UniFET MOSFET，由于RSP减小，UniFET II元件的裸晶尺寸也减小，并有助于改善自体二极体恢復的特性。

　　图2显示Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常规UniFET MOSFET元件之间的二极体恢復比较。在这种情况下，QRR已经从3，100nC减少到260nC，且二极体开关损耗也显着降低。

　　图2　Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常规UniFET MOSFET的自体二极体恢復特性比较

　　图3则显示採用Ultra FRFET时，相较于标準的UniFET II MOSFET，约可减少75%的导通损耗；同时也减少导通延迟时间、电流和电压振铃，并消除串联萧特基二极体的传导损耗。不仅如此，UniFET II还降低COSS，优化开关效率。图4所示为Ultra FRFET MOSFET、标準MOSFET和SiC结构的效率比较。

　　图3 标準MOSFET和具有相同裸晶尺寸的Ultra FRFET UniFET II MOSFET的导通效率比较

　　图4 太阳能逆变器中的Ultra FRFET元件、标準MOSFET和SiC解决方案的效率比较

　　不仅如此，特定应用MOSFET在其他电源管理设计中，也占有非常重要的地位，包括在SMPS、离线AC-DC、同步整流控制及取代主动OR-ing二极体的应用解决方案，均可窥见踪迹，以下将分别介绍。

提高SMPS功率密度　拓扑架构彻底翻新

　　藉由整合电路拓扑的改善与更低损耗功率元件，SMPS开发商在提高功率密度、效率和可靠性方面，正进行一场革命性的发展，包括相移（Phase-Shifted）、脉宽调变（PWM）、零电压开关、全桥和LLC谐振转换器拓扑，均可利用FRFET MOSFET做为功率开关来实现这些目标。除LLC谐振转换器常用于较低的功率应用外，其余拓扑皆用在较高功率。

　　这些拓扑具有以下的优势：减少开关损耗、EMI，且相较于準谐振拓扑，减少MOSFET应力，由于提升开关频率，因而减小散热器和变压器尺寸，对提高功率密度大有帮助。对相移全桥PWM-ZVS转换器和LLC谐振转换器应用的MOSFET要求，则包括具较低tRR和QRR，以及最佳软度的快速软恢復体二极体MOSFET，以提高dv/dt和di/dt抗扰性，降低二极体的电压尖峰并增加可靠性。同时还要有低QGD和QGD/QGS比，因在轻负载下将出现硬开关，且高CGD×dv/dt可能会引起击穿。

　　由于零电压开关会变为硬开关，降低COSS可将零电压开关延伸到更轻负载，从而减少硬开关损耗。此拓扑于高频下运行，需要一个经优化的低CISS MOSFET。接着在关断和导通期间，较低的分散式闸极内部ESR对于ZVS关断和不均匀电流分布是有益的。

　　针对以上应用要求，常规MOSFET自体二极体有时会引起失效，而SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET则相当适用于此一拓扑，因tRR和QRR，以及会引起失效的活跃二极体均有所改善。

　　导入PFC功能　AC-DC电源效率大增

　　另一方面，传统AC电源经整流后输入大电容滤波器，从输入提取的电流为狭窄的高振幅脉衝，这一级构成SMPS的前端。当高振幅电流脉衝产生谐波，将对其他设备造成严重干扰，此外，也减少可从电源获得的最大功率。

　　由于失真AC电压将使电容器过热、电介质应力和绝缘过压，而失真电流也加剧配电损耗且浪费可用功率。为解决此一问题，利用PFC功能方可确保符合监管规範，减少由上述应力而导致的元件失效，并拉高电源利用效率，改善元件性能。

　　採用PFC可使输入端看起来更像一个电阻，因相较于典型的0.60.7的SMPS功率因数值，该电阻具有一单位功率因数（Unity Power Factor），促使配电系统能以最高效率运行。

　　至于对PFC升压开关的功能要求，首先是低QGD×RSP品质因数，因QGD和CGD会影响开关速率，同时也要降低CGD、QGD和RSP，以减少导通与开关损耗。此外，还要具备硬开关和零电压开关，使COSS减少来压低关断损耗；加上PFC通常在100KHz以上的频率运行，亦要降低CISS减低闸极驱动功率。

　　至于PFC运作的可靠度，则须仰赖高dv/dt抗扰性，若需要MOSFET并联提供抗扰性，以承受dv/dt状况的再次出现，还须採用高闸极阈值电压（VTHGS）（35伏特）。

　　另外，PFC动态开关期间，MOSFET寄生电容的突然改变会导致闸极振盪，并增加闸极电压，将影响长期的可靠性，设计时须留意此一情形。因高ESR会增加关断损耗，尤其在零电压开关拓扑中，故闸极ESR的控制相当重要。

　　改善电源压降情形　同步整流方案崛起

　　同步整流也被称为主动（Active）整流，其以MOSFET取代二极体，用以提升整流效率。典型二极体的电压降大约会在0.71.5伏特之间，使得二极体中产生高的功率损耗。在低压DC-DC转换器中，此电压降将非常显着，造成效率下降。有时以萧特基整流器来代替硅二极体来改善；然而，因为当电压升高时，它的正向电压降也会增加；且在低压转换器中，萧特基二级体整流也无法提供足够效率，促进同步整流方案兴起。

　　现代MOSFET的RSP已大幅减少，且动态参数也已被优化。当这些主动式的控制MOSFET替换掉二极体，就可启动同步整流。如今，MOSFET已可实现仅几毫欧导通电阻，即使在大电流下亦可显着降低两端的电压降，相较于二极体整流，大幅度提高效率。

　　此外，同步整流不是硬开关，在稳定状态下具有零电压转换，且在导通和关断期间，MOSFET自体二极体导通，使经过MOSFET的压降为负，增加CISS。由于这种软开关，闸极恆压转变为零，将可有效减少闸极电荷。

　　对同步整流的主要要求包括低RSP、低动态寄生电容，藉此减少在高频下运行的同步整流电路闸极驱动功率。此外，还须具备低QRR和COSS以减少反向电流，当此一拓扑在高开关频率下运行时，会引发一个问题，就是在高开关频率下，此反向电流将可充当高洩漏电流。

　　与此同时，为避免暂态击穿及降低开关损耗，还需要低tRR、QRR和软性的自体二极体，且导通需为零电压开关。在MOSFET通道关断后，自体二极体再次导通，当次级电压反转时，自体二极体恢復，使得击穿的风险升高。对此，活跃二极体需要一个跨接MOSFET的缓衝电路，而QGD/QGS比也须具较低规格，方能用于二级侧同步整流。

　　接替萧特基二极体　MOSFET OR-ing更高效

　　至于形式最简单的OR-ing元件也是一种二极体，仅允许电流在一个方向流动，故当其失效时，电流不会回流入电源端，可保护输入电源。此类二极体可用于隔离冗余电源，若一个电源失效，将不会对整个系统产生影响，只要移除单

关键词： 功率元器件 MOSFET 效率