评估超结功率 MOSFET 的性能和效率

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-06-12

长期以来，超结功率 MOSFET 在高电压开关应用中一直占据主导地位，以至于人们很容易认为一定有更好的替代产品。然而，由于这类器件能够持续在性能、效率和成本效益之间达到平衡，因此在优化许多新应用的电子电源设计时不可或缺。

硅基超级结 MOSFET 早在本世纪初就已投入商业应用，它是通过交替堆叠 p 型和 n 型半导体材料层来构成 PN 结，从而实现了比传统平面 MOSFET 更低的导通电阻 (R DS(ON) ) 和栅极电荷 (Q g )。这些优势已通过品质因数 (FOM) 计算加以量化，即 FOM = RDS(ON) x Q g 。

FOM 可量化 MOSFET 导通时的电阻大小，以及导通和关断时所需的电荷量。

Qg 可以用来方便地比较开关性能，但有时这点会被过分强调。现代栅极驱动器可满足大多数栅极电荷要求，因此设计人员在追求更大优化的同时，有可能冒着增加成本为代价来改善其他关键参数。

由于超结 MOSFET 中的电荷平衡特性，因此能够设计更薄、掺杂更多的区域。这类器件的功率转换效率得益于 MOSFET 能够更快地导通和关断，从而降低开关损耗。由于效率提升导致了运行发热减少，因此简化了热管理问题。

当然，何时或是否使用这类器件取决于具体的应用要求。这类器件在需要高电压开关效率和紧凑型设计的应用中很受欢迎，例如 AC/DC 电源和转换器、电机的变频驱动器、太阳能逆变器等。

不要忽视 Qrr 值

为应用选择超级结 MOSFET 时需要考虑的另一个因素是反向恢复电荷 (Q rr )，即在一个开关周期内电流流经 MOSFET 的体二极管时在 PN 结中积累的电荷。当电荷过高时，会导致电压尖峰和增加损耗，因此较低的恢复电荷对于提高效率和减少开关损耗非常重要。

高 Qrr 引起的瞬态事件也会产生电磁干扰 (EMI)，对敏感元件和信号完整性造成负面影响。

降低 Qrr 有利于提高性能，特别是在这些影响会被放大至高频应用中；此外，还有助于确保最佳运行和符合 EMI 参数。从产品设计的角度来看，较少的电荷可带来以下好处：

• 最大限度减少能量耗散的同时，降低开关损耗
• 提高能量利用率，进而提高效率
• 改善热性能，减少开关时的发热
• 通过减少电压尖峰和振铃效应来降低 EMI
• 由于开关周期中的应力较小，因此可实现长期可靠性

一般来说，应用的频率越高，就越需要有较低的 Q rr 。同样重要的是，需要确定这一因素如何导致应用发热，以及由此导致的冷却要求。

在确定了一个或多个可能的 MOSFET 器件后，设计人员可以使用仿真工具对 MOSFET 以及 Qrr 在应用中的表现及对其性能的影响进行建模。使用示波器和电流探头进行实验测试，即可测量具体 MOSFET 器件的开关事件。

如何使这些值满足应用需求，取决于在效率和其他参数（如热性能、跨导、阈值电压和二极管正向电压）之间找到适当的平衡。

选择合适的功率 MOSFET

[Nexperia]推出了两个超级结功率 MOSFET 产品系列，旨在为产品设计人员提供一系列选择，使正确的开关性能组合与各种应用要求相匹配。

该公司的 [NextPower 80 V 和 100 V MOSFET]适用于如电源、工业设计和电信等高能效开关、高可靠性应用的设计人员。这些器件的Qrr 值低至 50 纳库仑 (nC)，具有更小的反向恢复电流 (I rr ) 和电压尖峰 (V peak ) 且减少了振铃特性。

这些器件采用 LFPAK56、LFPAK56E 和 LFPAK88 铜夹封装，可在不影响散热性能或可靠性的情况下灵活地节省空间。LFPAK56/LFPAK56E 封装的占地面积为 5 mm x 6 mm，即 30 mm ^2^ ，比 163 mm^2^ 的 D^2^PAK 节省 81% 的空间，比 70 mm^2^ 的 DPAK 节省 57% 的空间（图 1）。

图 1：LFPAK56 封装（右） D^2^PAK（左）和 DPAK 占地面积之比较。（图片来源：Nexperia）

LFPAK56E（图 2）是 LFPAK56 的增强版，在保持了同样紧凑外形的同时，电阻更低，从而提高了效率。类似器件如 [PSMN3R9-100YSFX]，这是一款 100 V、4.3 mΩ、N 沟道 MOSFET，其连续额定电流为 120 A。该器件的工作温度可达 +175°C ，推荐用于工业和消费类应用，具体包括 AC/DC 和 DC/DC 中的同步整流器、48 V DC/DC 初级侧开关、BLDC 电机控制、USB-PD 适配器、全桥和半桥应用，以及反激和谐振拓扑结构。

图 2：PSMN3R9-100YSFX 和其他 NextPower 80/100 V 超结功率 MOSFET 的 LFPAQK56E 封装。（图片来源：Nexperia）

NextPower [PSMN2R0-100SSFJ]是一款 100 V、2.07 mΩ、267 A、N 沟道 MOSFET，采用 LFPAK88 封装，占地面积为 8 mm x 8 mm。该器件的工作温度可达 +175°C ，推荐用于工业和消费类应用，具体包括 AC/DC 和 DC/DC 中的同步整流器、初级侧开关、BLDC 电机控制、全桥和半桥应用，以及反激和谐振拓扑结构。

对于希望优先考虑高性能和高可靠性的设计人员，[NextPowerS3 MOSFET]有 25 V、30 V 和 40 V 三种版本，且采用 Schottky-Plus 体二极管，具有低 RDS(ON) 和高达 380 A 的持续电流能力。例如，[PSMN5R4-25YLDX]是一款采用标准 LFPAK56 封装的 NextPowerS3 N 沟道 25 V、5.69 mΩ 逻辑电平 MOSFET。

Nexperia 的“Schottky-Plus”技术具有通常与集成 Schottky 或类 Schottky 二极管的 MOSFET 相关的高效率、低尖峰性能，但不会产生高漏电流问题，且在 +25°C 时漏电流小于 1 μA。

NextPowerS3 器件的推荐应用很多，具体包括服务器和电信领域的板载 DC-DC 解决方案、稳压器模块 (VRM)、负载点 (POL) 模块、V 核、ASIC、DDR、GPU、VGA 和系统组件的电源输送以及有刷/无刷电机控制。

NextPowerS3 器件采用 3.3 mm x 3.3 mm LFPAK33 封装（图 3），包括 30 V [PSMN1R8-30MLHX]，适用于同步降压稳压器、AC/DC 和 DC/DC 应用中的同步整流器、BLDC（无刷）电机控制以及 eFuse 和电池保护等应用。

图 3：NextPowerS3 LKPAK33 封装（右）和 DPAK 封装的对比图。（图片来源：Nexperia）

结论

在实现许多新型电力电子应用所需的性能、效率和成本效益的平衡方面，硅基超结功率 MOSFET 是不可或缺的。Nexperia 的 NextPowerS3 和 NextPower 80/100 V MOSFET 产品组合为产品设计人员提供了满足这些需求的一系列特性，并采用紧凑的热增强 LFPAK 封装，以提高功率密度和可靠性。

审核编辑 黄宇