在70年代晚期推出MOSFET之前,晶閘管和雙極結型電晶體(BJT)是僅有的功率開關。BJT是電流控制器件,而MOSFET是電壓控制器件。在80年代,IGBT面市,它仍然是一種電壓控制器件。MOSFET是正溫度係數器件,而IGBT則不一定。MOSFET是多數載流子器件,因而是高頻應用的理想選擇。將直流電轉換為交流電的逆變器,可以在超聲頻率下工作以避免音訊雜訊。相比IGBT,MOSFET還具有高抗雪崩能力。在選擇MOSFET時,工作頻率是一個重要因素。相比同等MOSFET,IGBT具有較低的箝位能力。在IGBT和MOSFET之間選擇時,必須考慮逆變器輸入的直流匯流排電壓、功率定額、功率拓撲和工作頻率。IGBT通常用於200V及以上的應用,而MOSFET可以用於從20V到1000V的應用。雖然飛兆半導體公司擁有300V的IGBT,但MOSFET的開關頻率卻比IGBT高出許多。

    較新型的MOSFET具有更低的傳導損耗和開關損耗,在直到600V的中等電壓應用中正在取代IGBT。設計替代性能源電力系統、UPS、開關電源(SMPS)和其他工業系統的工程師正不斷設法改進這些系統的輕載和滿載效率、功率密度、可靠性和動態性能。風能是增長最快的能源之一,一個應用實例就是風力機葉片控制,其中使用了大量的MOSFET器件。通過迎合不同的應用需求,特定應用的MOSFET可以幫助實現這些改進。

    其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應用,包括易於安裝在家庭車庫和商業停車場的電動汽車(EV)充電系統。這些EV充電系統將通過光伏(PV)太陽能系統和公用電網運行。壁掛式EV充電站必須實現快速充電。對於通信電源而言,PV電池充電站也將變得重要。

    三相電機驅動和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET,但PV太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET,如Ultra FRFET MOSFET和常規體二極體MOSFET。最近幾年,業界大量投資PV太陽能發電。大多數增長開始於住宅太陽能項目,但較大的商業項目正在出現:諸如多晶矽價格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件,都促進了巨大的市場增長。

    正在普及的並網逆變器是一種將直流電轉換為交流電並注入現有公用電網的專用逆變器。直流電源由可再生能源產生,比如小型或大型的風力機組或PV太陽能電池板。該逆變器也被稱為同步逆變器。僅當連接至電網時,並網逆變器才會工作。今天市場上的逆變器採用了不同的拓撲設計,取決於設計的權衡要求。獨立式逆變器採用不同設計,以按照整、滯後或超前功率因數供電。

    對PV太陽能系統的市場需求早已存在,因為太陽能可以幫助降低高峰電力成本,能夠消除燃料成本的波動性,可為公用電網提供更多的電力,還可作為“綠色”能源進行推廣。

    美國政府已經設定了目標,要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述,結合美國政府的目標,PV太陽能解決方案已經成為一個不斷增長的市場。這帶來了對MOSFET器件不斷增長的需求。如果優化不同拓撲的MOSFET器件,終端產品的解決方案可實現顯著的效率提升。

    高開關頻率應用需要以犧牲RDSON為代價來降低MOSFET的寄生電容,而低頻應用卻要求以降低RDSON為最高優先順序。對於單端應用,MOSFET體二極體的恢復並不重要,但對於雙端應用卻非常重要,因為它們需要低tRR、QRR和更軟的體二級管恢復。在軟開關雙端應用中,這些要求對於可靠性極其重要。在硬開關應用中,隨著工作電壓增加,導通和關斷損耗也將增加。為減少關斷損耗,可以根據RDSON來優化CRSS和COSS。

    MOSFET支援零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)拓撲,不過IGBT卻僅支持ZCS拓撲。通常,IGBT用於大電流和低頻開關,而MOSFET則用於小電流和高頻開關。混合模式模擬工具可以用來設計特定應用的MOSFET。在矽和溝槽技術方面的進展降低了導通電阻(RDSON)和其他動態寄生電容,並改進了MOSFET的體二極體恢復性能。封裝技術也在這些特定應用的MOSFET中發揮了作用。

逆變器系統

    DC-AC逆變器廣泛用於電機驅動、UPS和綠色能源系統。通常,高電壓和大功率的系統使用IGBT,但對於低壓、中壓和高壓(12V至400V輸入直流匯流排)而言,通常使用MOSFET。在用於太陽能逆變器、UPS逆變器和電機驅動逆變器的高頻DC-AC逆變器中,MOSFET已獲得普及。在直流匯流排電壓大於400V的某些應用中,高壓MOSFET被用於小功率應用。MOSFET具有一個固有的開關性能很差的體二極體,該二極體通常會在逆變器橋臂的互補MOSFET中帶來高開通損耗。在單開關或單端應用(例如PFC、正激或反激轉換器)中,體二極體並未正向偏置,因而可以忽略它的存在。低載頻逆變器承受著附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本的負擔;高載頻逆變器的優勢則是更小、更低成本的低通濾波器設計。MOSFET是這些逆變器應用的理想之選,因為它們可以工作在較高的開關頻率下。這能減少射頻干擾(RFI),因為開關頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內部流動,從而消除了向外流動。

針對逆變器應用的MOSFET的要求包括:

    特定的導通電阻(RSP)應該較小,來減少導通損耗。器件到器件的RDSON變化應該較小,這有兩個目的:在逆變器輸出端的DC分量較少,且該RDSON可以用於電流檢測來控制異常狀況(主要在低壓逆變器中);對於相同的RDSON,低RSP可以減少晶圓尺寸,從而降低成本。

    當晶圓尺寸減小時,可以使用非箝位元感應開關(UIS)。應該採用良好的UIS來設計MOSFET單元結構,且不能有太多的讓步。通常,對於相同的晶圓尺寸,相比平面MOSFET,現代溝槽MOSFET具有良好的UIS。薄晶圓減小了熱阻(RthJC),在這種情況下,較低的品質因數(FOM)可以表示為RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作區(SOA)和較低的跨導。

    會有少量柵漏電容(CGD)(米勒電荷),但CGD/CGS比必須低。適度高的CGD可以幫助減少EMI。極低的CGD增加了dv/dt,並因此增加了EMI。低CGD/CGS比降低了擊穿的可能性。這些逆變器不在高頻下工作,因而允許柵極ESR有少許增加。因為這些逆變器工作在中等頻率上,所以可以允許有稍高的CGD和CGS。

即使在該應用中工作頻率已較低,但降低COSS有助於減少開關損耗。同時也允許稍微增大COSS。

    開關期間的COSS和CGD突變會引起柵極振盪和較高過沖,長時間後將有可能損壞柵極。這種情況下,高源漏dv/dt會成為問題。

高柵極閾值電壓(VTH)可以實現更好的抗噪性和更好的MOSFET並聯。VTH應該超過3V。

    體二極體恢復:需要具有低反向恢復電荷(QRR)和低反向恢復時間(tRR)的更軟、更快的體二級管。同時,軟度因數S(Tb/Ta)應大於1。這將減小體二極體恢復dv/dt及逆變器直通的可能性。活躍的體二極體會引起擊穿和高壓尖峰問題。

    在某些情況下,需要高(IDM)脈衝漏極電流能力來提供高(ISC)短路電流抗擾度、高輸出濾波器充電電流和高電機起動電流。

通過控制MOSFET的開通和關斷、dv/dt和di/dt,可控制EMI。

通過在晶圓上使用更多的絲焊來減少共源電感。

(來源於 全球IC採購網 www.qic.com.cn)