英飞凌40V和60V MOSFET

英飞凌科技股份有限公司低压驱动应用工程师Ralf Walter
2012年，电子器件一如既往地沿着更高性能和更高功率密度的方向发展。取决于具体的应用，要么侧重于封装的微型化，要么侧重于提高通流能力，从而在不改变封装体积的情况下提高输出功率。
另一个普遍的希望是，能够最终避免采用插件封装的器件（比如TO220、TO247）。
阻断电压为40V和60V的最新一代英飞凌MOSFET，如今可满足设计工程师的这些要求。
英飞凌几年前开发的OptiMOS™3技术相对于现有的其他MOSFET技术，可使通态电阻RDS(on) 大幅降低60%。另外还可大幅降低CGS （栅极至源极）和 CGD （栅极至漏极）电容。这可使开关速度加快，从而大幅降低开关损耗。
尽管在这项技术成功开发之前，许多应用仍将需要采用TO220、甚至TO247的插件封装，但如今也有可能免去采用昂贵而复杂的散热系统。
相反，如今有可能采用不带额外散热器的D2PAK和SuperSO8 （5毫米x 6毫米）等贴片封装，从而大幅简化热管理。
因此，可以提高开关电源的功率密度，同时降低系统成本。
继去年发布展示有巨大优势的全新30V硅技术产品之后，英飞凌成功完成了全新40V 和 60V MOSFET的开发工作。
与OptiMOS™3技术直接比较，结果表明，新一代MOSFET不仅可极大地降低通态电阻RDS(on)，还可大幅改进开关特性。
阻断电压为40V的MOSFET的通态电阻降低了40%，而阻断电压为60V的MOSFET的通态电阻降幅甚至达到48%以上。
迄今为止，英飞凌是全球首家推出采用SuperSO8封装、最大通态电阻不足1毫欧的40V MOSFET的半导体厂商。
此外，集成一个类似肖特基的二极管可提高系统能效，并降低尖峰电压。它采用的是一种单片集成式单元结构，相比常规MOSFET体二极管而言，在很宽的负载范围内具备多种关键优势。一方面，新一代MOSFET的通态电压大幅降低（例如，在10A二极管电流下，通态电压为0.45V，而不是0.65V。）；另一方面，由于没有需要充电的体二极管，反向恢复电荷（Qrr）可以忽略不计。
新型号可通过最后一个字母“I”识别（例如BSC010N04LSI）。

图1：英飞凌新一代MOSFET具有更低的导通电阻RDS(on)
导通电阻是MOSFET最重要的参数之一，但其他参数通常具备同等重要性，有时对于设计工程师而言甚至更为重要。
以下几个参数实际上反映开关损耗：
品质因素—栅极电荷（FOM Qg）表示进行正常开关时MOSFET栅极需要的电荷（能量），而品质因素—输出电容（FOM Qoss）表示非谐振开关时损失的能量。
图2显示的是40V MOSFET和60V MOSFET的栅极电荷和输出电容

图2：FOM Qg 和 FOM Qoss 等参数的改进，对于降低阻断电压为40V和60V的全新OptiMOS™ 器件的开关损耗十分重要
可以很清楚地看到，全新的OptiMOS™ 40V和 60V器件的所有三个参数（即RDS(on)、FOM Qg 和FOM Qoss）都大幅降低。
60V MOSFET的降幅尤为明显，其中包含封装电阻在内的总通态电阻几乎减半。
英飞凌推出了多个型号的40V和 60V MOSFET器件（图3），使设计工程师能够轻松地找到最理想的应用解决方案。

图3：40V和60V产品组合
实用性
下文以典型服务器电源二次侧整流电路为例，说明这三个参数实现改进之所以如此重要的原因。
不过，下文提及的价值和优势还可轻松的适用于其他应用。对于所有需要使用体内肖特基二极管的应用来说，采用英飞凌新一代40V，60V MOSFET可大幅简化热管理，从而节省成本。
一个典型的服务器电源的输出电压为12V，在100%输出负载下，功率为600W至2400W，业界的标准做法是二次侧采用同步整流器（即MOSFET）。可能需要用到40V、60V、甚至 75V/80V的 MOSFET，具体取决于拓扑结构和变压器的设计。
如果考虑输出电压为12V、输出电流为50A的电源的损耗分布情况，显然在不同负载范围内，占主导地位的损耗会有所差异。
实质上，MOSFET的损耗包括：
1) 栅极驱动损耗
2) 输出电容损耗
3) RDS(on)通态损耗
在整个负载范围内，各种损耗占总损耗的百分比变化很大。
在高输出功率（大电流）下，通态损耗所占比例最大。通态电阻损耗约占总损耗的80%。随着输出功率降低，输出电容损耗所占比例逐渐增大。
在20%的负载条件下，输出电容损耗占总损耗的一半以上。
另一个是栅极驱动损耗（在整个范围内几乎不变），约占同步整流总损耗的30%。
因此，大部分损耗并非发生在同步整流器MOSFET的通态阶段，而是在持续几纳秒的导通或关断时出现。原因不难理解：栅极驱动功率和输出电容损耗几乎不受输出电流影响，因此在整个负载范围内是恒定的。相比之下，通态损耗与电流的平方成正比，因此，在较大的输出电流时，通态损耗占总损耗的比重很大。
通过并联另一个MOSFET，可相对简单地（通常需要更高的成本）降低通态损耗。事实上，这可使通态损耗减半。
不过，由于需要驱动两个MOSFET，并且两个MOSFET并联在一起还会使输出电容提高一倍，因此在更低功率范围内，会使情况明显恶化：输出电容引起的损耗同样可能会提高一倍。
因此，高输出功率下损耗的降低，会导致低负载范围内损耗的升高。
英飞凌通过推出阻断电压为40V和60V的新型MOSFET，为在整个负载范围内大幅降低各种损耗创造了条件。
通过对测量曲线进行直接比对，结果显示新一代MOSFET具备更多优势。尽管现有的MOSFET的测量结果已十分接近最优的结果，但全新MOSFET技术的应用仍然可对其进行进一步的大幅改进。
不仅最大的尖峰电压会显著降低，并且在开关时产生的振荡也进一步减小，甚至消除。
结论
如今，新一代的40V和60V MOSFET可使设计工程师设计出更高功率密度的产品。开关性能的优化可使许多应用选用一个更低电压等级的MOSFET，从而全面优化通态电阻、成本和功耗等。
如今，就同步整流而言，无需并联MOSFET，也可设计出功率为1000W的电源。
现在，一颗采用SuperSO8封装的MOSFET足以满足每个整流支路的需求。结果是不但可提高功率密度，而且还可降低成本。

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康选谦

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