評估超結(jié)功率 MOSFET 的性能和效率

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-06-12

長期以來，超結(jié)功率 MOSFET 在高電壓開關(guān)應(yīng)用中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，以至于人們很容易認(rèn)為一定有更好的替代產(chǎn)品。然而，由于這類器件能夠持續(xù)在性能、效率和成本效益之間達(dá)到平衡，因此在優(yōu)化許多新應(yīng)用的電子電源設(shè)計時不可或缺。

硅基超級結(jié) MOSFET 早在本世紀(jì)初就已投入商業(yè)應(yīng)用，它是通過交替堆疊 p 型和 n 型半導(dǎo)體材料層來構(gòu)成 PN 結(jié)，從而實現(xiàn)了比傳統(tǒng)平面 MOSFET 更低的導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) ) 和柵極電荷 (Q g )。這些優(yōu)勢已通過品質(zhì)因數(shù) (FOM) 計算加以量化，即 FOM = RDS(ON) x Q g 。

FOM 可量化 MOSFET 導(dǎo)通時的電阻大小，以及導(dǎo)通和關(guān)斷時所需的電荷量。

Qg 可以用來方便地比較開關(guān)性能，但有時這點會被過分強調(diào)?，F(xiàn)代柵極驅(qū)動器可滿足大多數(shù)柵極電荷要求，因此設(shè)計人員在追求更大優(yōu)化的同時，有可能冒著增加成本為代價來改善其他關(guān)鍵參數(shù)。

由于超結(jié) MOSFET 中的電荷平衡特性，因此能夠設(shè)計更薄、摻雜更多的區(qū)域。這類器件的功率轉(zhuǎn)換效率得益于 MOSFET 能夠更快地導(dǎo)通和關(guān)斷，從而降低開關(guān)損耗。由于效率提升導(dǎo)致了運行發(fā)熱減少，因此簡化了熱管理問題。

當(dāng)然，何時或是否使用這類器件取決于具體的應(yīng)用要求。這類器件在需要高電壓開關(guān)效率和緊湊型設(shè)計的應(yīng)用中很受歡迎，例如 AC/DC 電源和轉(zhuǎn)換器、電機的變頻驅(qū)動器、太陽能逆變器等。

不要忽視 Qrr 值

為應(yīng)用選擇超級結(jié) MOSFET 時需要考慮的另一個因素是反向恢復(fù)電荷 (Q rr )，即在一個開關(guān)周期內(nèi)電流流經(jīng) MOSFET 的體二極管時在 PN 結(jié)中積累的電荷。當(dāng)電荷過高時，會導(dǎo)致電壓尖峰和增加損耗，因此較低的恢復(fù)電荷對于提高效率和減少開關(guān)損耗非常重要。

高 Qrr 引起的瞬態(tài)事件也會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)，對敏感元件和信號完整性造成負(fù)面影響。

降低 Qrr 有利于提高性能，特別是在這些影響會被放大至高頻應(yīng)用中；此外，還有助于確保最佳運行和符合 EMI 參數(shù)。從產(chǎn)品設(shè)計的角度來看，較少的電荷可帶來以下好處：

• 最大限度減少能量耗散的同時，降低開關(guān)損耗
• 提高能量利用率，進而提高效率
• 改善熱性能，減少開關(guān)時的發(fā)熱
• 通過減少電壓尖峰和振鈴效應(yīng)來降低 EMI
• 由于開關(guān)周期中的應(yīng)力較小，因此可實現(xiàn)長期可靠性

一般來說，應(yīng)用的頻率越高，就越需要有較低的 Q rr 。同樣重要的是，需要確定這一因素如何導(dǎo)致應(yīng)用發(fā)熱，以及由此導(dǎo)致的冷卻要求。

在確定了一個或多個可能的 MOSFET 器件后，設(shè)計人員可以使用仿真工具對 MOSFET 以及 Qrr 在應(yīng)用中的表現(xiàn)及對其性能的影響進行建模。使用示波器和電流探頭進行實驗測試，即可測量具體 MOSFET 器件的開關(guān)事件。

如何使這些值滿足應(yīng)用需求，取決于在效率和其他參數(shù)（如熱性能、跨導(dǎo)、閾值電壓和二極管正向電壓）之間找到適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

選擇合適的功率 MOSFET

[Nexperia]推出了兩個超級結(jié)功率 MOSFET 產(chǎn)品系列，旨在為產(chǎn)品設(shè)計人員提供一系列選擇，使正確的開關(guān)性能組合與各種應(yīng)用要求相匹配。

該公司的 [NextPower 80 V 和 100 V MOSFET]適用于如電源、工業(yè)設(shè)計和電信等高能效開關(guān)、高可靠性應(yīng)用的設(shè)計人員。這些器件的Qrr 值低至 50 納庫侖 (nC)，具有更小的反向恢復(fù)電流 (I rr ) 和電壓尖峰 (V peak ) 且減少了振鈴特性。

這些器件采用 LFPAK56、LFPAK56E 和 LFPAK88 銅夾封裝，可在不影響散熱性能或可靠性的情況下靈活地節(jié)省空間。LFPAK56/LFPAK56E 封裝的占地面積為 5 mm x 6 mm，即 30 mm ^2^ ，比 163 mm^2^ 的 D^2^PAK 節(jié)省 81% 的空間，比 70 mm^2^ 的 DPAK 節(jié)省 57% 的空間（圖 1）。

圖 1：LFPAK56 封裝（右） D^2^PAK（左）和 DPAK 占地面積之比較。（圖片來源：Nexperia）

LFPAK56E（圖 2）是 LFPAK56 的增強版，在保持了同樣緊湊外形的同時，電阻更低，從而提高了效率。類似器件如 [PSMN3R9-100YSFX]，這是一款 100 V、4.3 mΩ、N 溝道 MOSFET，其連續(xù)額定電流為 120 A。該器件的工作溫度可達(dá) +175°C ，推薦用于工業(yè)和消費類應(yīng)用，具體包括 AC/DC 和 DC/DC 中的同步整流器、48 V DC/DC 初級側(cè)開關(guān)、BLDC 電機控制、USB-PD 適配器、全橋和半橋應(yīng)用，以及反激和諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 2：PSMN3R9-100YSFX 和其他 NextPower 80/100 V 超結(jié)功率 MOSFET 的 LFPAQK56E 封裝。（圖片來源：Nexperia）

NextPower [PSMN2R0-100SSFJ]是一款 100 V、2.07 mΩ、267 A、N 溝道 MOSFET，采用 LFPAK88 封裝，占地面積為 8 mm x 8 mm。該器件的工作溫度可達(dá) +175°C ，推薦用于工業(yè)和消費類應(yīng)用，具體包括 AC/DC 和 DC/DC 中的同步整流器、初級側(cè)開關(guān)、BLDC 電機控制、全橋和半橋應(yīng)用，以及反激和諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對于希望優(yōu)先考慮高性能和高可靠性的設(shè)計人員，[NextPowerS3 MOSFET]有 25 V、30 V 和 40 V 三種版本，且采用 Schottky-Plus 體二極管，具有低 RDS(ON) 和高達(dá) 380 A 的持續(xù)電流能力。例如，[PSMN5R4-25YLDX]是一款采用標(biāo)準(zhǔn) LFPAK56 封裝的 NextPowerS3 N 溝道 25 V、5.69 mΩ 邏輯電平 MOSFET。

Nexperia 的“Schottky-Plus”技術(shù)具有通常與集成 Schottky 或類 Schottky 二極管的 MOSFET 相關(guān)的高效率、低尖峰性能，但不會產(chǎn)生高漏電流問題，且在 +25°C 時漏電流小于 1 μA。

NextPowerS3 器件的推薦應(yīng)用很多，具體包括服務(wù)器和電信領(lǐng)域的板載 DC-DC 解決方案、穩(wěn)壓器模塊 (VRM)、負(fù)載點 (POL) 模塊、V 核、ASIC、DDR、GPU、VGA 和系統(tǒng)組件的電源輸送以及有刷/無刷電機控制。

NextPowerS3 器件采用 3.3 mm x 3.3 mm LFPAK33 封裝（圖 3），包括 30 V [PSMN1R8-30MLHX]，適用于同步降壓穩(wěn)壓器、AC/DC 和 DC/DC 應(yīng)用中的同步整流器、BLDC（無刷）電機控制以及 eFuse 和電池保護等應(yīng)用。

圖 3：NextPowerS3 LKPAK33 封裝（右）和 DPAK 封裝的對比圖。（圖片來源：Nexperia）

結(jié)論

在實現(xiàn)許多新型電力電子應(yīng)用所需的性能、效率和成本效益的平衡方面，硅基超結(jié)功率 MOSFET 是不可或缺的。Nexperia 的 NextPowerS3 和 NextPower 80/100 V MOSFET 產(chǎn)品組合為產(chǎn)品設(shè)計人員提供了滿足這些需求的一系列特性，并采用緊湊的熱增強 LFPAK 封裝，以提高功率密度和可靠性。

審核編輯 黃宇