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功率 MOSFET 基礎:了解 MOSFET 與 品質因數有關的特性

簡介 功率 MOSFET 已經變成了標準選擇,被廣泛用作低壓 (<200V)開關模式電源 (SMPS)轉換器應用的主開關器 件。然而,利用制造商提供的數據手冊為特定電路拓撲選擇 合適的器件卻變得越來越困難无需存款注册秒送18元。MOSFET 的主要選型標準是 與 MOSFET 有關的功率損耗 (與 SMPS 的總效率有關)和 MOSFET 的功耗能力 (與封裝的最高結溫和熱性能有關)。 本應用指南重點介紹了 MOSFET 的基本特性和知識。 有幾個影響 MOSFET 柵極的因素,并且在解釋 MOSFET 特 性之前,有必要了解器件結構方面的基礎知識。本應用指南 詳細介紹了溝槽 MOSFET 結構的基本結構,進而確定了寄生 元件,定義了相關術語。還介紹了如何以及為何會產生寄生 參數无需存款注册秒送18元。由于具有各種拓撲无需存款注册秒送18元、開關速度无需存款注册秒送18元、負載電流和輸出電壓, 所以不可能確定能夠在較寬的電路條件范圍內實現最佳性能 的通用 MOSFET。某些情況下以導通電阻(RDS(on))損耗為 主,而其它情況下則以瞬態電流和電壓波形的開關損耗或與 器件柵極驅動有關的損耗為主无需存款注册秒送18元。并且,還證明 (1)(2) 了輸入和 輸出電容也可以是主要損耗无需存款注册秒送18元。
MOSFET 選型所用的品質因數簡介
器件制造商還規定了不同靜態和動態條件下的 MOSFET 參 數,讓設計者難于進行同類產品對比,從而讓情況變得更加 混亂。因此,唯一正確的无需存款注册秒送18元、選擇合適的 MOSFET 的方法是在 MOSFET 應用電路內比較所選器件。 有幾種方法可以讓設計者對比適于特定應用的 MOSFET,雖 然有時難于實現。其中一種方法就是根據品質因數來評估 MOSFET。在最簡單的形式中,品質因數會在給定的 RDS(on) 下比較柵極電荷 (Qg)。乘積結果與某項器件技術有關无需存款注册秒送18元,它 能夠實現所需的 RDS(on) 或 Qg。然而,RDS(on) 越低无需存款注册秒送18元,柵極電 荷越高。類似的器件對比方法為 “Baliga 高頻品質因數” - BHFFOM(1)无需存款注册秒送18元,它假設主要開關損耗與輸入電容 (Ciss)充 / 放 電 有 關。第 三 種 方 法 是 使 用 “新 高 頻 品 質 因 數” - NHFFOM(2),它假設主要開關損耗因輸出電容 (Coss)充 / 放電而起。后 2 種方法適于要在其中實現 MOSFET 的應用。 然而无需存款注册秒送18元,這些方法只允許進行同類產品對比无需存款注册秒送18元无需存款注册秒送18元,用戶無法利用它 們確定具有某一品質因數的器件是否就一定比具有另一品質 因數的不同器件好。 Vishay Siliconix 系列 30V SO-8 N- 溝道 MOSFET 樣品的品 質因數 Qg x RDS(on) 如圖 1 所示无需存款注册秒送18元无需存款注册秒送18元。例如无需存款注册秒送18元,在某些開關應用中无需存款注册秒送18元, Si4888DY 可能優于 Si4842DY,但是不可能利用該圖 - 或者 其它采用了更復雜的品質因數的圖 - 來客觀地確定最適于特 定應用的器件。
圖 1 - Vishay Siliconix N- 溝道 30V SO-8 MOSFET 的 圖典型品質因數
MOSFET 結構 大多數 MOSFET 參數和溝槽 MOSFET 的寄生參數的一般定 義如表 1 所示。
MOSFET 結構
任何功率 MOSFET 器件的基礎都源于垂面 DMOS 技術。電 源產生的電流沿著表面橫向流動,然后轉向并沿著垂直方向 從相鄰體擴散之間的表面流走,穿過外延漏區、流入基片、再 流出背面的晶圓。沿平面在多晶硅柵層下形成溝道。然而,與 溝槽結構相比无需存款注册秒送18元,平面結構的單元密度有限,因為在超高單元 密度下, JFET 夾斷效應 (1) 會增加器件導通電阻。 由于這類電氣與幾何限制,不僅無法保證將平面 DMOS 單元 密度進一步提高到 3000 萬單元 / 平方英寸以上,而且還極有 可能降低性能。只有消除夾斷效應无需存款注册秒送18元无需存款注册秒送18元,才能通過減少單元數量 大幅降低 MOSFET 導通電阻。
為了克服平面夾斷問題, Vishay Siliconix 器件的設計者實現 了溝槽柵垂直功率 MOSFET 或 TrenchFET。不是沿表面導 電, TrenchFET 通過沿著蝕入芯片的溝槽側壁垂直形成的溝 道導電。 溝槽 DMOS 橫截面如圖 2 所示。利用類似于平面 DMOS 的 封閉單元模式,溝槽形成了一個環繞硅島的柵極。每個硅島 都是雙擴散溝道區和發生相關源極擴散的地方。 溝槽被氧化,然后用導體填充无需存款注册秒送18元,最后被展平以形成器件柵極。 利用這項溝槽技術,可以在不產生JFET夾斷效應的情況下提 高單元密度,同樣可以實現高單元密度 (>2 億單元 / 平方英 寸)。提高到該單元密度水平是很有益的,這樣就可以創建一 系列能夠均衡超低導通電阻、柵極特性和成本的器件。然而, 單位晶圓上晶片數量的增加(會提高成本優勢)和 RDS(on) 降 低 (會提升性能)仍然是 2 大優勢。 密度為 1.78 億單元 / 平方英寸的 MOSFET 溝槽晶片的橫截面 如圖 3 所示。這部分穿過了區內的超高密度晶圓,展示了高 密度單元擴展。為了實現這種單元數字无需存款注册秒送18元,重點需要放在橫向 和垂直單元擴展上,這樣不僅可以優化 RDS(on),還可以優化 柵極特性。 隨著設計用于提高單元密度的橫向擴展的發展,相關電容 (如圖 3b 所示)得到了改善,從而加強了快速開關无需存款注册秒送18元,這對于 高頻操作 (>400kHz)是不可或缺的。此外无需存款注册秒送18元,在輕電流負載 下,柵極驅動損耗成了影響總系統效率的重要因素,所以必 須考慮柵極電容。 通過改善垂直擴展无需存款注册秒送18元,降低了電容,進而降低了 RDS(on)x Qg 值 (低于 100 (m Ω x nC))。
溝槽 DMOS 3D 橫截面和相關電阻元件
 溝槽 DMOS 3D 橫截面和相關電阻元件
DMOS溝槽MOSFET的導通電阻是活動載流子必須流經的各 個區域的電阻之和 (如圖 2 所示)。

應該注意的是无需存款注册秒送18元,對于平面 MOSFET 而言,RRDS(on) 值還包含 JFET 元件電阻。 MOSFET 的寄生電容 N-溝道MOSFET的簡圖如圖4所示,其中三個電容,即Cgd、 Cds 和 Cgs,代表寄生電容无需存款注册秒送18元。這些數值可以計算出輸入電容、 輸出電容和反向傳輸電容无需存款注册秒送18元,如表 1 所述。
圖 4 - N 溝道 MOSFET 的簡化等效電路 (標有寄生電容、 npn 晶體 管和 Rb 電阻)
圖 5 - 柵漏極電容與漏源極電壓關系圖
然而,應該注意的是,由于等效電路不光包含 1 個電阻和 3 個電容无需存款注册秒送18元,而是要復雜得多,所以這些電容只可用于了解開關 瞬態的特性无需存款注册秒送18元无需存款注册秒送18元。 柵漏極電容 Cgd 和柵源極電容 Cgs 屬于壓敏電容,因此電容 值隨施加在漏源極和器件的柵源極上的電壓而變无需存款注册秒送18元。Cgd的變化 比 Cgs 大得多,只不過是因為其上施加的電壓比 Cgs 上的大 得多无需存款注册秒送18元。Cgd 的變化 (1) 如圖 5 所示,可能高達 100 倍,通常接 近于 2 個靜態值无需存款注册秒送18元。這些電容變化會影響施加在器件柵極上的 電壓无需存款注册秒送18元,從而形成米勒平臺 (1)无需存款注册秒送18元。這會在發生開關瞬態時產生斷 開和接通上升與下降時間,還會 “拉平”柵極電壓,如圖 6 所示。
 6- 柵漏極電容與漏源極電壓關系圖
結論 本應用指南是一系列介紹在開關模式電源內實現的功率 MOSFET 的基本特性與工作性能的技術文檔中的第一部。本 應用指南旨在向讀者全面介紹 Vishay Siliconix MOSFETs 所 采用的器件技術。 FOM 本身不能讓電源設計者選出理想器件无需存款注册秒送18元,但卻概括了器件技術和可能實現的性能。要進行可靠的主觀分析,則必須修 改每個 FOM,以便包含 MOSFET 應用方面的信息无需存款注册秒送18元。因此, 本應用指南定義了為特定應用選擇合適的器件時需要考慮的 主要特性 (表 1)。
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