利用PowerTrench MOSFET应对更高功率密度的新挑战

公式4

开关上的电压尖刺

把有害电压尖刺降至最小的一般原则是采用短而厚的电路板以及最小的电流回路。然而，由于尺寸和成本的限制，做到这些并不容易。有时，设计人员必需考虑到机械结构的问题，如散热器和风扇；有时鉴于成本限制因素，不得不使用单面印制电路板。缓冲电路可作为一种可行的替代方案，用来在最大额定漏源电压范围内管理电压尖刺。这种情况下，额外的功耗是无法避免的。此外，轻载下缓冲电路本身产生的功耗也不可忽视。除了电路板参数之外，器件的特性也对电压尖刺电平有影响。在同步整流中，一个主要的器件相关参数是反向恢复期间的体二极管软度因子（softness）。基本上，二极管的反向恢复特性是由设计决定的。有好几个控制输入对反向恢复产生影响，如结温、di/dt和正向电流水平。但是，当条件固定时，二极管总是表现出相同的行为。因此，器件的评估结果对评测系统的运作情况非常有用。图10所示为两个不同器件（但有极其相似的额定值）的反向恢复波形。

在反向恢复电流波形中，从零到峰值反向电流的这段时间被称为ta。tb则定义为从峰值回到零的时间。软度因子定义为tb/ta。一个软器件的软度因子大于1，而当其软度因子小于1时，该器件被认为是“snappy（活跃的）”。从图10可看出，反向恢复期间snappy二极管的峰值电压较大。当所有条件都相同时，snappy二极管的电压尖刺总是比较高，因此会在缓冲电路中造成额外的损耗。轻载条件下，这一点可能比把导通阻抗RDS(on)减小1毫欧还要来得重要。图11所示为谐振频率为400kHz的500W PSFB DC-DC转换器中软器件与snappy器件的工作波形。软器件的峰值电压比snappy器件的小10%，从而可使缓冲电路的功耗降低30%，系统效率提高0.5%。尽管软器件的RDS(on)比snappy器件的要高25%，但在20%负载条件下，二者的效率分别为94.81%与94.29%。满载下两个器件的效率相同。

总结

为同步整流创建更高效的电源开关，低RDS(on)不是唯一的要求。随着轻载效率的重要性增强，栅极驱动损耗和缓冲电路损耗变为十分重要的损耗因素。因此，低QSYNC和软二极管成为获得更高同步整流效率的至关重要的特性。不过，RDS(ON)仍然是应用的关键参数。图12所示为带同步整流的800W PSFB中，在不同负载和不同器件条件下，不同元件的相关功耗。由于在10%负载条件下的驱动损耗和输出电容性损耗更低，3.6毫欧PowerTrench MOSFET的总功耗比3.0毫欧竞争产品减小43%。此外，3.6毫欧PowerTrench MOSFET的功耗主要源于满负载条件下的传导损耗，因此其功耗比4.7毫欧竞争产品的更低。从图12总结的损耗分析可明显看出，由于3.6毫欧PowerTrench MOSFET进行了设计优化，故可以大幅降低满载和轻载条件下的功耗。

飞兆半导体已推出新的PowerTrench功率MOSFET系列。这些器件兼具更小的QSYNCH和软反向恢复固有体二极管性能及快速开关等优势，旨在让整流应用实现更高的效率。由于栅极电荷和输出电容存储能量的减少，开关效率得以提高，驱动和输出电容性损耗得以降低。PowerTrench MOSFET的这些优点可帮助设计人员显著提高系统效率。

图1 二极管整流和同步整流

图2 传统沟槽栅MOSFET

图3 底部有厚氧化层的沟槽MOSFET

图4 增加了屏蔽电极的沟槽MOSFET

图5 同步整流中功率MOSFET的波形

图6 QSYNC的测量

图7 QSYNC的定义

图8 100V栅-源电容/3.6毫欧PowerTrench MOSFET与竞争产品的比较

图9 不同输出负载条件下，损耗比(驱动损耗/传导损耗)的比较

表1：DUT的关键规格比较

图10 不同软度因子的反向恢复波形

图11 500W PSFB DC-DC转换器中功率MOSFET的峰值漏-源电压，软器件（左），snappy器件（右）软体二极管的另一个优点是它能够使用额定击穿电压较低的器件。由于单位面积的导通阻抗与击穿电压成比例，故它还能降低传导损耗。

图12 800W同步整流电路的损耗分析