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功率MOSFET与IGBT等其他功率MOS器件并行发展,满足了许多应用的需要。在低电压的应用中,相关器件让电源供应器与“DC/DC”转换器能够达到高效率,并让伺服与马达控制设计达到高稳定度。汽车防死锁煞车系统等高电压的应用中,相关器件的交换速度可以极快的频率开关,这对于使用脉宽调变(PWM)的应用来说相当重要。
然而,高电压MOSFET的应用日渐广泛,包含高效率SMPS(切换式电源供应器)、工业用电源转换器以及再生能源系统,也因此产生了对更高效率MOSFET技术的需求。拥有高崩溃电压的超接面MOSFET,例如英飞凌的CoolMOS 900V,将可满足这个需求。
CoolMOS 900V功率MOSFET可以克服制造功率晶体管时的“硅极限”,并以标准TO(晶体管外形)封装提供高电压设计的另一种选择。
此类器件让超接面技术的领域第一次拓展到900 V,提供前所未有的显着效能,为高电压解决方案的设计者指出崭新的思考方向。
超接面技术
现今传统功率MOSFET受到“硅极限”的限制,亦即将电压阻断能力加倍通常会导致RDS(on)(导通电阻)增加5倍。
超接面技术的基本概念,是让电流在MOSFET中一个极高度掺杂的垂直排列区域中,由顶端流到底端,所以较标准MOSFET器件多出许多电荷量来供应电流传导(图1)。
在超接面MOSFET的阻断状态,这些电荷是由相反类型的同量电荷所平衡。两种电荷在器件中以非常精致的技术分隔,最终结构为横向交错相迭的p与n区域所构成的精细样式。层间的间距愈密,器件的RDS(on)愈低。英飞凌的CoolMOS器件拥有业界最细密的层间距,具有领先业界的RDS(on)数值。CoolMOS 900V MOSFET的目标应用为ATX(先进延伸技术)PC“银盒”电源供应器、LCD电视的准谐振返驰式设计、主动式三相应用、太阳能转换器,以及其他需要高阻断电压、低传导与切换损失与低闸极电荷的设计。
器件特性
英飞凌的Coolmos 900V器件具有全世界所有900V MOSFET每种封装中最低的RDS(0n)值(例如在TO-247封装为120 mΩ,而在TO-220封装为340 mΩ),持续汲极电流可达36 A,而脉冲电流可达96 A。这些器件也达成比类似RDS(on)类型器件低25%的总闸极电荷(Qg),能达成在同电压等级FOM(RDS(on)x Qg)最低的数值,具有低传导损失、容易驱动,以及低切换损失等特性。
此外英飞凌超接面技术的CoolMOS也创下器件电容值的新纪录。储存于输出电容的能量是衡量切换损失时,必须考虑的因素。能量Eoss在硬式导通时会转换为热量。由于输出电容对电压为高度非线性相关,CoolMOS 900V器件在切换到高于150V时具有良好的效能。储存在MOSFET输出电容的能量在工作电压会降低一半以上。
CoolMOS 900V MOSFET的器件特性提供更多设计弹性,让电源器的设计者能使众多应用享有高阻断电压、低RDS(on)以及低Qg的效益。应用可以增加效率或简化设计,而不会增加成本或带来其他缺点。
单晶体管前向(STF)转换器
CoolMOS 900V MOSFET可以增加PC“银盒”电源供应器的输出功率。单一MOSFET可达成最高500 W的输出,相较于利用200 mΩ 500V/600MOSFET(图2)
的标准双晶体管前向(TTF)转换器,拥有高效能与低成本的优势。STF电路仅使用一个晶体管,TTF则需要两个晶体管与脉冲变压器,因此这种结构上的变更可简化设计,增加布局效益,而没有TTF的缺点,例如需要高压侧的切换。
虽然 900VMOSFET具有较高的RDS(on),仍可能设计比使用200 mΩ600V器件的TTF具有更高效率的STF电路,这是因为TTF的动态损失较高,在每个周期中两个晶体管都需要切换,而STF只有一个晶体管。
STF转换器中的变压器需要额外的去磁绕组,造成另一项功率损耗,而这是在TTF中不存在的。使用340 mQ CoolMOS900V的设计,已证实相较于利用200 mΩ MOSFET的TTF设计,能减低0.7%的损失。
LCD电视的准谐振返驰转换器
现代的LCD电视需要高达200 w的输出功率,以及高电源效率与低成本,可满足此类需求的最佳结构是准谐振返驰转换器(图3),而CoolMOS 900V是最理想的选择。
在LCD电视电源器的准谐振返驰转换器中,更高的返驰电压可以提供较长的主工作周期与较低的峰电流、真正的零电压切换,以及在二次侧能显着降低电压承载。TO-220-FP封装的CoolMOS 900V MOSFET由于RDS(on)极低,可用于相关设计,取代传统必备的两个以上TO-220-FP封装900VMOSFET。CoolMOS 900V器件已实证相较于现有的800V器件,能增加0.2%的效率,而与标准600V/650V器件相较能增加0.7%。
再生能源应用/太阳能转换器
在太阳能发电系统中,若MOSFET的电压能提高到900V,可以将更多的光电转换板串联而不用并联,并且可以增加太阳能板的电压范围。串联可减低接线的功率损失与成本,仅将600V器件更换为900V就可以将接线成本减半。此外,CoolMoS900V器件让转换器的设计拥有更大的输入电压范围,接近IEC60364所定义的太阳能模块上限1000V。
光电系统的另一个考虑因素是磁性器件的大小与成本。提供具有更佳RDS(on)x Qg与RDS(on)x Eoss效能的器件,可以增加切换频率而不会增加损耗,因此可以将系统缩小而不会影响能源效率。
照明应用
由三相电源供电的灯具安定器,例如舒适照明中的特殊放电灯具,或街灯中的电子安定器,都可以利用CoolMOS 900 V家族产品的设计来提升。此类灯具的安定器需要较600 V或800 V MOSFET所能提供的更高电压能力,以及较传统900V MOSFET更低的RDS(on)。CoolMOS 900V器件可以改善PFC(功率因子校正)电源供应器与灯具安定器的设计,让设计者使用更高的直流链或输入电压。例如,使用具有750V直流链电压的直流三相PFC与PWM级的高功率应用,可以利用TO-247等具有业界最低RDS(on)的小封装器件,达成更高的功率密度。
结论
选择功率MOSFET的主要考虑是在特定封装与特定崩溃电压下,RDS(on)可达到多低的数值。以多种小型封装提供的超接面MOSFET,在900V电压下可达最低RDS(on)数值,提供高电压系统的设计者崭新的工具,能增加切换速率与效能,并改善整体效率。
然而,高电压MOSFET的应用日渐广泛,包含高效率SMPS(切换式电源供应器)、工业用电源转换器以及再生能源系统,也因此产生了对更高效率MOSFET技术的需求。拥有高崩溃电压的超接面MOSFET,例如英飞凌的CoolMOS 900V,将可满足这个需求。
CoolMOS 900V功率MOSFET可以克服制造功率晶体管时的“硅极限”,并以标准TO(晶体管外形)封装提供高电压设计的另一种选择。
此类器件让超接面技术的领域第一次拓展到900 V,提供前所未有的显着效能,为高电压解决方案的设计者指出崭新的思考方向。
超接面技术
现今传统功率MOSFET受到“硅极限”的限制,亦即将电压阻断能力加倍通常会导致RDS(on)(导通电阻)增加5倍。
超接面技术的基本概念,是让电流在MOSFET中一个极高度掺杂的垂直排列区域中,由顶端流到底端,所以较标准MOSFET器件多出许多电荷量来供应电流传导(图1)。
在超接面MOSFET的阻断状态,这些电荷是由相反类型的同量电荷所平衡。两种电荷在器件中以非常精致的技术分隔,最终结构为横向交错相迭的p与n区域所构成的精细样式。层间的间距愈密,器件的RDS(on)愈低。英飞凌的CoolMOS器件拥有业界最细密的层间距,具有领先业界的RDS(on)数值。CoolMOS 900V MOSFET的目标应用为ATX(先进延伸技术)PC“银盒”电源供应器、LCD电视的准谐振返驰式设计、主动式三相应用、太阳能转换器,以及其他需要高阻断电压、低传导与切换损失与低闸极电荷的设计。
器件特性
英飞凌的Coolmos 900V器件具有全世界所有900V MOSFET每种封装中最低的RDS(0n)值(例如在TO-247封装为120 mΩ,而在TO-220封装为340 mΩ),持续汲极电流可达36 A,而脉冲电流可达96 A。这些器件也达成比类似RDS(on)类型器件低25%的总闸极电荷(Qg),能达成在同电压等级FOM(RDS(on)x Qg)最低的数值,具有低传导损失、容易驱动,以及低切换损失等特性。
此外英飞凌超接面技术的CoolMOS也创下器件电容值的新纪录。储存于输出电容的能量是衡量切换损失时,必须考虑的因素。能量Eoss在硬式导通时会转换为热量。由于输出电容对电压为高度非线性相关,CoolMOS 900V器件在切换到高于150V时具有良好的效能。储存在MOSFET输出电容的能量在工作电压会降低一半以上。
CoolMOS 900V MOSFET的器件特性提供更多设计弹性,让电源器的设计者能使众多应用享有高阻断电压、低RDS(on)以及低Qg的效益。应用可以增加效率或简化设计,而不会增加成本或带来其他缺点。
单晶体管前向(STF)转换器
CoolMOS 900V MOSFET可以增加PC“银盒”电源供应器的输出功率。单一MOSFET可达成最高500 W的输出,相较于利用200 mΩ 500V/600MOSFET(图2)
的标准双晶体管前向(TTF)转换器,拥有高效能与低成本的优势。STF电路仅使用一个晶体管,TTF则需要两个晶体管与脉冲变压器,因此这种结构上的变更可简化设计,增加布局效益,而没有TTF的缺点,例如需要高压侧的切换。
虽然 900VMOSFET具有较高的RDS(on),仍可能设计比使用200 mΩ600V器件的TTF具有更高效率的STF电路,这是因为TTF的动态损失较高,在每个周期中两个晶体管都需要切换,而STF只有一个晶体管。
STF转换器中的变压器需要额外的去磁绕组,造成另一项功率损耗,而这是在TTF中不存在的。使用340 mQ CoolMOS900V的设计,已证实相较于利用200 mΩ MOSFET的TTF设计,能减低0.7%的损失。
LCD电视的准谐振返驰转换器
现代的LCD电视需要高达200 w的输出功率,以及高电源效率与低成本,可满足此类需求的最佳结构是准谐振返驰转换器(图3),而CoolMOS 900V是最理想的选择。
在LCD电视电源器的准谐振返驰转换器中,更高的返驰电压可以提供较长的主工作周期与较低的峰电流、真正的零电压切换,以及在二次侧能显着降低电压承载。TO-220-FP封装的CoolMOS 900V MOSFET由于RDS(on)极低,可用于相关设计,取代传统必备的两个以上TO-220-FP封装900VMOSFET。CoolMOS 900V器件已实证相较于现有的800V器件,能增加0.2%的效率,而与标准600V/650V器件相较能增加0.7%。
再生能源应用/太阳能转换器
在太阳能发电系统中,若MOSFET的电压能提高到900V,可以将更多的光电转换板串联而不用并联,并且可以增加太阳能板的电压范围。串联可减低接线的功率损失与成本,仅将600V器件更换为900V就可以将接线成本减半。此外,CoolMoS900V器件让转换器的设计拥有更大的输入电压范围,接近IEC60364所定义的太阳能模块上限1000V。
光电系统的另一个考虑因素是磁性器件的大小与成本。提供具有更佳RDS(on)x Qg与RDS(on)x Eoss效能的器件,可以增加切换频率而不会增加损耗,因此可以将系统缩小而不会影响能源效率。
照明应用
由三相电源供电的灯具安定器,例如舒适照明中的特殊放电灯具,或街灯中的电子安定器,都可以利用CoolMOS 900 V家族产品的设计来提升。此类灯具的安定器需要较600 V或800 V MOSFET所能提供的更高电压能力,以及较传统900V MOSFET更低的RDS(on)。CoolMOS 900V器件可以改善PFC(功率因子校正)电源供应器与灯具安定器的设计,让设计者使用更高的直流链或输入电压。例如,使用具有750V直流链电压的直流三相PFC与PWM级的高功率应用,可以利用TO-247等具有业界最低RDS(on)的小封装器件,达成更高的功率密度。
结论
选择功率MOSFET的主要考虑是在特定封装与特定崩溃电压下,RDS(on)可达到多低的数值。以多种小型封装提供的超接面MOSFET,在900V电压下可达最低RDS(on)数值,提供高电压系统的设计者崭新的工具,能增加切换速率与效能,并改善整体效率。