新的MOSFET將瞄準(zhǔn)多個(gè)市場(chǎng),包括直流對(duì)直流(DC-DC)、離線交流對(duì)直流(AC-DC)、電機(jī)控制、不斷電系統(tǒng)(UPS)、太陽(yáng)能逆變器(Inverter)、焊接、鋼鐵切割、開(kāi)關(guān)電源(Switched-mode Power Supply, SMPS)、太陽(yáng)能/風(fēng)能和電動(dòng)車(chē)(EV)電池充電器等。
具較高開(kāi)關(guān)頻率 MOSFET應(yīng)用范圍優(yōu)于IGBT
由于電力需求日益增長(zhǎng),且發(fā)電成本也同步上升,對(duì)公家事業(yè)而言,政府機(jī)構(gòu)要求減少有害氣體排放量的壓力也在增加,在在迫使設(shè)計(jì)人員須提高設(shè)備電源效率和性能。尤其各國(guó)政府機(jī)構(gòu)對(duì)最低電源轉(zhuǎn)換效率的規(guī)範(fàn),更讓元件設(shè)計(jì)人員須根據(jù)特殊拓?fù)涞淖兓_(kāi)發(fā)特定應(yīng)用MOSFET,因此元件參數(shù)在所有拓?fù)渲校缪莞纳齐娐沸屎托阅艿闹匾巧?/p>
在1970年代晚期推出MOSFET前,閘流體(Thyristor)和雙極型接面電晶體(Bipolar Junction Transistors, BJT)是僅有的功率開(kāi)關(guān)。BJT是電流受控元件,而MOSFET與在1980年代面世的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)則同為電壓受控元件。
然而,MOSFET是正溫度系數(shù)元件,但I(xiàn)GBT不一定是正溫度系數(shù)元件;且MOSFET為多數(shù)載流子元件,成為高頻應(yīng)用的理想選擇,如將DC轉(zhuǎn)換為AC的逆變器,可以在超音波的頻率下工作,以避免音頻干擾;相較于IGBT,MOSFET還具有高抗雪崩能力。
在選擇MOSFET時(shí),工作頻率是一項(xiàng)重要的考量因素,與同等的MOSFET相比,IGBT具有較低的箝位能力。當(dāng)在IGBT和MOSFET之間選擇時(shí),必須考慮逆變器輸入的DC匯流排電壓、額定功率、功率拓?fù)浜凸ぷ黝l率。IGBT通常用于200伏特(V)及以上的應(yīng)用;而MOSFET可用于從201000伏特的應(yīng)用。市面上業(yè)者雖可提供300伏特的IGBT,但MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率比IGBT高得多,且較新型MOSFET還具有更低的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗,逐漸在高達(dá)600伏特的中等電壓應(yīng)用取代IGBT。
環(huán)保節(jié)能意識(shí)抬頭 特定應(yīng)用MOSFET需求大增
對(duì)替代能源電力系統(tǒng)、UPS、開(kāi)關(guān)電源和其他工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師而言,由于須不斷設(shè)法改進(jìn)系統(tǒng)輕載和滿載時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率、功率密度、可靠性和動(dòng)態(tài)性能,故對(duì)效能優(yōu)異的特定應(yīng)用MOSFET需求殷切。其中,風(fēng)能是近來(lái)增長(zhǎng)最快的能源之一,風(fēng)力機(jī)翼片控制中須使用大量的MOSFET元件,藉著滿足不同應(yīng)用需求,特定應(yīng)用MOSFET即可改善上述所需的功能表現(xiàn)。
不久的將來(lái),其他需要新型和特定MOSFET的應(yīng)用還包括易于安裝在家庭車(chē)庫(kù),或商業(yè)停車(chē)場(chǎng)的電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)。這些充電系統(tǒng)將通過(guò)太陽(yáng)能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)(Utility Grid)來(lái)運(yùn)行。由于壁掛式電動(dòng)車(chē)充電站須具快速充電能力,且建置太陽(yáng)能電池充電站也將變得愈來(lái)愈重要,均須導(dǎo)入可支援高壓的特定應(yīng)用MOSFET。
太陽(yáng)能逆變器可能需要不同的MOSFET,例如Ultra FRFET MOSFET和常規(guī)體(Regular Body)二極體MOSFET;至于叁相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和UPS逆變器則需相同類(lèi)型的MOSFET。近來(lái),業(yè)界大量投資太陽(yáng)能發(fā)電,大多數(shù)增長(zhǎng)始于住宅太陽(yáng)能計(jì)畫(huà),隨后較大規(guī)模的商業(yè)專(zhuān)案也陸續(xù)出現(xiàn),而多晶硅價(jià)格已從2007年的每公斤400美元跌落至2009年的每公斤70美元,且仍持續(xù)降價(jià),也將驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)顯著增長(zhǎng)。
事實(shí)上,太陽(yáng)能系統(tǒng)對(duì)特定應(yīng)用MOSFET的需求早已存在。由于太陽(yáng)能可幫助降低峰值功率的成本,避免發(fā)電成本隨燃料價(jià)格波動(dòng)而增加,并可為公用電網(wǎng)提供更多的電力,成為取之不盡的綠色能源;加上美國(guó)政府已設(shè)定目標(biāo),要求80%的國(guó)家電力要來(lái)自綠色能源,在在帶動(dòng)對(duì)特定應(yīng)用MOSFET元件不斷增長(zhǎng)的需求。如果將不同拓?fù)涞腗OSFET元件優(yōu)化,可顯著提升最終產(chǎn)品解決方案的效率。
與此同時(shí),逐漸普及的市電并聯(lián)(Grid-tie)逆變器係一種將DC轉(zhuǎn)換為AC注入現(xiàn)有公用電網(wǎng)的專(zhuān)用逆變器。DC電源由可再生能源產(chǎn)生,如風(fēng)力機(jī)組或太陽(yáng)能電池板,該逆變器也被稱為電網(wǎng)交互(Grid Interactive)或同步逆變器,只有在連接至電網(wǎng)時(shí),市電并聯(lián)逆變器才會(huì)工作。目前市場(chǎng)上的逆變器採(cǎi)用各種拓?fù)湓O(shè)計(jì),視功能要求的折衷權(quán)衡而定,獨(dú)立操作的逆變器也以特定設(shè)計(jì),提供功率因數(shù)為1,或延遲、超前的電源。
儘管特定應(yīng)用MOSFET正快速興起,但其訴求高開(kāi)關(guān)頻率須降低MOSFET的寄生電容,此一做法的代價(jià)將犧牲導(dǎo)通電阻(Rds(on))。而低頻應(yīng)用,則要求以降低Rds(on)做為最優(yōu)先考量。對(duì)于單端型應(yīng)用,MOSFET自體二極體恢復(fù)(Body Diode Recovery)特性并不重要,但對(duì)雙端型應(yīng)用則變得非常重要,因其要求低反向恢復(fù)電荷(Reverse Recovery Charge, QRR)和低反向恢復(fù)時(shí)間(Reverse Recovery Time, tRR)和更軟的自體二極體恢復(fù)。在軟開(kāi)關(guān)雙端應(yīng)用中,這些要求對(duì)可靠性極其重要;而硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用因工作電壓增加,導(dǎo)通和關(guān)斷損耗也將提高,為減少關(guān)斷損耗,可根據(jù)Rds(on)來(lái)優(yōu)化CRSS和COSS。
MOSFET支援零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)拓?fù)洌蝗欢鳬GBT僅支持ZCS拓?fù)洌室话愣裕琁GBT應(yīng)用于大電流和低頻開(kāi)關(guān),MOSFET用于小電流和高頻開(kāi)關(guān);而透過(guò)混合模式模擬工具則可用來(lái)設(shè)計(jì)特定應(yīng)用MOSFET。
事實(shí)上,隨著硅、溝槽技術(shù)迭有進(jìn)展,特定應(yīng)用MOSFET的導(dǎo)通電阻及其他動(dòng)態(tài)寄生電容均已大幅降低;同時(shí),更先進(jìn)的封裝技術(shù)也對(duì)改善特定應(yīng)用MOSFET的自體二極體恢復(fù)性能,發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。
MOSFET適用高/低頻逆變器
以DC-AC逆變器應(yīng)用為例,其廣泛應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、UPS和綠色能源系統(tǒng),通常高電壓和大功率系統(tǒng)使用IGBT;但對(duì)LV、MV、HV(12400伏特輸入DC匯流排),通常使用MOSFET。在太陽(yáng)能、UPS和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的高頻DC-AC逆變器領(lǐng)域,MOSFET已相當(dāng)普及。
在某些DC匯流排電壓大于400伏特的情況下,會(huì)採(cǎi)用HV MOSFET;至于用在低功率應(yīng)用上,因MOSFET具有一個(gè)內(nèi)在的自體二極體,其開(kāi)關(guān)性能很差,通常會(huì)在逆變器橋臂互補(bǔ)MOSFET中帶來(lái)高導(dǎo)通損耗。不過(guò),在單開(kāi)關(guān)或單端型應(yīng)用中,如功率因數(shù)校正(PFC)、正向或返馳式(Flyback)轉(zhuǎn)換器,自體二極體不是正向偏壓,可忽略它的存在。
由于低載波頻率逆變器的負(fù)擔(dān)是附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本;高載波頻率逆變器的優(yōu)勢(shì)是較小、較低成本的低通濾波器設(shè)計(jì)。MOSFET可通用在這些逆變器裡,因可在較高的開(kāi)關(guān)頻率下工作,此即減少射頻干擾(Radio-Frequency Interference, RFI),且因開(kāi)關(guān)頻率電流成分在逆變器和輸出濾波器內(nèi)流轉(zhuǎn),從而消除向外的流動(dòng)。
逆變器強(qiáng)調(diào)安全高效率 MOSFET須面面俱到
逆變器內(nèi)建的MOSFET要求降低導(dǎo)通損耗,導(dǎo)致元件到元件之間的Rds(on)變化也須做到更小。此舉有兩個(gè)主要目的,首先在逆變器輸出端的DC成分較少,且此一Rds(on)可用于電流感測(cè),以控制異常狀況(主要是在低壓逆變器中);另外就是對(duì)相同的Rds(on),低導(dǎo)通電阻可縮小裸晶尺寸,從而降低成本。
當(dāng)裸晶尺寸縮小時(shí),還可進(jìn)一步使用非箝位感應(yīng)開(kāi)關(guān)(Unclamped Inductive Switching, UIS)來(lái)設(shè)計(jì)MOSFET單元結(jié)構(gòu);相較于平面MOSFET,在相同的裸晶尺寸條件下,現(xiàn)代溝槽MOSFET具有良好的UIS。而薄裸晶減小熱阻(Thermal Resistance, RthJC),在這種情況下,較低的品質(zhì)因數(shù)(FOM)可以公式1表示:
RSP×RthJC/UIS.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。公式1
對(duì)逆變器而言,MOSFET還須擁有良好的安全工作區(qū)(Safe Operating Area, SOA)和較低的跨導(dǎo)。同時(shí),逆變器會(huì)產(chǎn)生少量的閘漏電容(Gate-to-drain Capacitance, CGD)(米勒電荷),但低CGD/CGS比是必要的,可降低擊穿的機(jī)率,且適度提高CGD可幫助減少電磁干擾(EMI),而低CGD則增加dv/dt,并因此加劇EMI。這些逆變器不在高頻下工作,而是處于中頻狀態(tài),故可讓閘極ESR增加少許,并可允許稍高的CGD和CGS。
此外,MOSFET也要降低COSS減少開(kāi)關(guān)損耗,但開(kāi)關(guān)期間的COSS和CGD突變會(huì)引起閘極振盪和高過(guò)衝,長(zhǎng)時(shí)間可能損壞閘級(jí)。這種情況下,高源漏dv/dt會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。若藉由超過(guò)3伏特的高閘極閾值電壓(VTH),則可實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性和并聯(lián)效益。
必須注意的是,逆變器MOSFET在某些情況下,需要高脈衝漏極電流(IDM)能力,以提供高短路電流的抗擾度,高輸出濾波器的充電電流,以及高馬達(dá)啟動(dòng)電流。另外,藉著在裸晶上使用更多的接合絲焊來(lái)減少M(fèi)OSFET的共源極電感。
最后則是擁有自體二極體恢復(fù)能力,MOSFET須具低QRR和tRR,且更軟、更快的自體二極體。同時(shí),軟度因數(shù)(Softness Factor)S(Tb/Ta)應(yīng)該大于1。如此一來(lái),將可減小二極體恢復(fù)、dv/dt及逆變器的擊穿可能性;反過(guò)來(lái)說(shuō),活躍(Snappy)自體二極體會(huì)引起擊穿和高電壓尖峰脈衝的問(wèn)題。
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)ǎ油伙@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)洌衫肍RFET 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)洌瑴p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(lèi)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,只要移除單點(diǎn)失效即可讓系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來(lái)保持運(yùn)行。
然而,實(shí)現(xiàn)這種隔離有一些問(wèn)題,一旦OR-ing二極體插入到電流路徑中,會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗并降低效率,產(chǎn)生更多熱源,故須加裝散熱器,導(dǎo)致系統(tǒng)功率密度難以提升。再者,OR-ing須具有軟開(kāi)關(guān)特性,否則當(dāng)二極體被關(guān)斷時(shí),反向恢復(fù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。
為克服OR-ing二極體的問(wèn)題,一直都是採(cǎi)用蕭特基二極體設(shè)計(jì),其與P-N二極體之間的主要差異,就是減小正向電壓降及可忽略的反向恢復(fù)。普通硅二極體的壓降介于0.71.7伏特之間;而蕭特基二極體的正向電壓降在0.20.55伏特之間。當(dāng)以蕭特基二極體做為OR-ing元件使用時(shí),即便具有高洩漏電流,為系統(tǒng)帶來(lái)額外的導(dǎo)通損耗,該總體損耗仍會(huì)小于硅二極體。
另一個(gè)解決方案是以功率MOSFET來(lái)取代蕭特基二極體,但須引進(jìn)額外的MOSFET閘極驅(qū)動(dòng)器,增加系統(tǒng)復(fù)雜性。由于MOSFET的Rds(on)要求很小,因而兩端電壓降會(huì)比蕭特基二極體的正向電壓低很多,可稱之為新一代主動(dòng)OR-ing二極體設(shè)計(jì)。
現(xiàn)階段低壓MOSFET的Rds(on)已做到很低;即便採(cǎi)用TO-220或D2封裝,也可以低至幾毫歐姆。舉例來(lái)說(shuō),快捷的FDS7650採(cǎi)用PQFN56封裝,對(duì)于30伏特MOSFET而言,可達(dá)到小于1毫歐姆,當(dāng)OR-ing MOSFET導(dǎo)通時(shí),還可讓電流以任一方向流動(dòng)。至于在失效情況下,冗余電源提供大電流,因而OR-ing MOSFET須快速關(guān)斷,快捷的PowerTrench MOSFET也可解決此種狀況。
評(píng)論