高效能低電壓Power MOSFET及其參數與應用

　　前言

　　近年來，產業的發展、有限的資源及日益嚴重的地球暖化現象，促使環保節能的觀念逐漸受到重視，更造就各項新能源的開發，能源利用技術及新式組件或裝置的發展，而能源政策的推廣更使得能源概念的商機逐漸擴大。

　　為了滿足節能和降低系統功率損耗的需求，需要更高的能源轉換效率，這些與時俱進的設計規範要求，對於電源轉換器設計者會是日益嚴厲的挑戰。為應對此需求，除使用各種新的轉換器拓撲（topology）與電源轉換技術來提高電源轉換效率之外，新式功率組件在高效能轉換器中所扮演的重要角色，亦不容忽視。其中，Power MOSFET目前已廣泛應用於各種電源轉換器。本文將簡述Power MOSFET的特性、參數與應用，除針對目前低電壓Power MOSFET的發展趨勢做簡單介紹外，還將簡單比較新一代低壓Power MOSFET的性能。

　　Power MOSFET的參數與應用

　　電源設計工程師在選用Power MOSFET設計電源時，大多直接以Power MOSFET的最大耐壓、最大導通電流能力及導通電阻等三項參數做出初步決定。但實際上，在不同的應用電路中，Power MOSFET的選用有更細膩的考慮因素，以下將簡單介紹 Power MOSFET的參數在應用上更值得注意的幾項重點。

　　1 功率損耗及安全工作區域（Safe Operating Area， SOA）

　　對Power MOSFET而言，決定其最大功率損耗是由溫度及接觸-包裝外殼間之熱阻所決定，即：

　　 （1）

　　由上式可知，若能夠有效減少熱阻，則Power MOSFET所能承受之的最大功率損耗就可以獲得提升。因此，工藝的最大改進目標就是減少熱阻。

　　圖1為Power MOSFET之安全工作區示意圖，此安全區主要是由四個條件所決定：導通電阻RDSON、最大脈衝電流IDpulse、最大功率損耗PD及最大耐壓VBR。正常條件下，Power MOSFET都必須工作在安全工作區域之內。

　　

　　圖1 Power MOSFET之安全工作區域圖

　　2 Power MOSFET傳導與並聯使用

　　Power MOSFET的傳導（transconductance， gfs）為其工作在線性區（linear region）時，VGS與ID間的小信號增益值，可以用下式表示。

　　gfs=ΔID/ΔVGS （2）

　　Power MOSFET在導通及截止的過程中工作在線性區，因此傳導的大小與導通及截止的過程中，所能流經Power MOSFET的最大電流有關，亦即：

　　ID=（VGS-Vth）middot;gfs （3）

　　然而在中/高電流的應用電路中，在為了提升效率所採用的Power MOSFET並聯方法下，傳導值就會直接影響到在導通及截止的過程中，流經各Power MOSFET的電流均勻程度。一般而言，會採用具高傳導值的Power MOSFET，減少並聯使用中的電流不均情況。

　　3 切換速度與閘極電荷（Qg）

　　CGD充電時之VGS電壓及相對應之各項波形。由圖中可知，極間電容CGS及CGD在Power MOSFET的切換速度上扮演重要的角色。

　　Qg用以表示Power MOSFET在導通或截止的過程中，驅動電路所必須對極間電容充電/放電之總電荷量。在一般操作之下，Power MOSFET切換的延遲時間可用一簡單公式表示。

　　td=Qg/iG （4）

　　此外，在驅動電路驅動Power MOSFET導通及截止的過程中，對Power MOSFET的極間電容進行充/放電的柵極電荷，事實上也是一種形式的損耗，只是發生於驅動電路。若Qg值愈大，要達到高頻率操作及高速切換，則需要具較高電流能力之驅動電路。Power MOSFET之驅動損耗可以下式表示。

　　PDRV=VDRV×QG×FSW （5）

　　其中，VDRV為驅動電路之驅動電壓。

　　4 Qgd/Qgs1與dVDS/dt

　　在高端MOSFET導通及低端截止的瞬間，單相同步整流降壓電路架構的等效電路如圖3所示。其中，輸入等效電容 Ciss=Cgs+Cgd；輸出等效電容 Coss=Cgd+Cds；反饋等效電容 Crss=Cgd，內含有其他寄生電容及NPN三級管。

　　

　　圖2 Power MOSFET柵極電荷示意圖

　　

　　圖3 高端MOSFET導通及低端MOSFET截止過程的等效電路

　　在可能的操作條件下，低壓側Power MOSFET Q2截止時，且VDS上升斜率dVDS/dt很高時，VDS可能經Cgd對Cgs充電。因此，為避免因這充電現象發生而導致的高/低壓側Power MOSFET同時導通而燒毀，一般需選用（Qgd/Qgs1）《1（Qgs1表示Qgs在Vgs《Vgs（th）時的值）。另外，在高dVDS/dt的情況下，VDS可以透過另一個寄生電容Cdb觸發Power MOSFET內的寄生電晶體，造成Power MOSFET的燒毀。 因此，在實際應用電路中必須儘量避免Power MOSFET超過其dV/dt值。

　　5崩潰及崩潰能量

　　Power MOSFET在VDS》BVDSS後會進入崩潰區（Avalanche），其操作如同一齊那二極體，當能量超過某一值時，會造成雪崩擊穿 （Avalanche Breakdown）。在正常使用情況下，功率晶體應避免操作於此情況。在Power MOSFET的規格表中標示有「EAS」及」EAR」參數，此參數分別代表進入崩潰時，Power MOSFET能夠忍受的單次脈波及重複性脈波最大能量。

　　單次脈衝崩潰能量：EAS=1/2×VBS×IAS×tAV

　　重複性脈衝崩潰能量：EAR=1/2×VBR×IAR×tAV

　　其中，tAV表示Power MOSFET進入崩潰時之延續時間。

　　雪崩擊穿一般可分為兩種損壞模式： （1）高能量雪崩擊穿損壞，屬於高電感、低電流且長時間雪崩擊穿，導致積熱無法及時散逸而使得Power MOSFET損壞，例如驅動馬達的應用；（2）低能量雪崩擊穿損壞，屬於低電感、高電流且短時間雪崩擊穿，導致瞬間過熱無法及時散逸而使得功率MOSFET損壞，如個人計算機主機板之中央處理器（CPU）核心電源（Vcore）的應用。大部分的功率MOSFET的損壞是由於過大的能量（Electrical Over Stress;EOS）加於組件而導致過熱或超出安全工作範圍而引發的。

　　Power MOSFET損耗分析與設計趨勢

　　以同步整流降壓轉換器做損耗分析，可說明目前Power MOSFET在應用電路中的各項功率損耗情況。

　　對高端的Power MOSFET而言，其功率損耗為：

　　Ploss，Q1=導通損耗+切換損耗+驅動損耗+電容性損耗，亦即：

　　 （6）

　　而低端之同步整流 Power MOSFET之功率損耗為：

　　Ploss，Q2=導通損耗+驅動損耗+電容性損耗+本體二極體回復損耗，亦即：

　　 （7）

　　從式（6）、（7）可知，Power MOSFET主要的損耗來源有三：（1）導通電阻造成導通損失；（2）閘極電荷造成驅動電路上的損耗及切換損失；（3）輸出電容在截止/導通的過程中造成Power MOSFET的儲能/耗能。值得注意的是，除了導通損耗以外，其餘各項損耗均與Power MOSFET之極間電容或門極電荷及切換頻率呈正比。亦即，若要在較高頻率操作，必須選用較低極間電容或門極電荷之Power MOSFET，可以有效減少高頻率下之切換損失。

　　而Power MOSFET發展趨勢亦是以減少導通/切換損耗、快速切換為目標，使其所應用之電源供應裝置，能夠達到效率高、輕量化、小型化及穩定性高之產品設計目標。以下將說明現今低壓Power MOSFET之發展趨勢，並以Infineon Technologies公司所生產之新一代OptiMOS？為例，比較性能優劣。