在70年代晚期推出MOSFET之前,晶闸管和双极结型晶体管(BJT)是仅有的功率开关。BJT是电流操控器材,而MOSFET是电压操控器材。在80年代,IGBT面市,它仍然是一种电压操控器材。MOSFET是正温度系数器材,而IGBT则不必定。MOSFET是大都载流子器材,因此是高频运用的抱负挑选。将直流电转化为交流电的逆变器,能够在超声频率下作业以防止音频噪声。比较IGBT,MOSFET还具有高抗雪崩才能。在挑选MOSFET时,作业频率是一个重要因素。比较平等MOSFET,IGBT具有较低的箝位才能。在IGBT和MOSFET之间挑选时,有必要考虑逆变器输入的直流总线电压、功率定额、功率拓扑和作业频率。IGBT一般用于200V及以上的运用,而MOSFET能够用于从20V到1000V的运用。尽管飞兆半导体公司具有300V的IGBT,但MOSFET的开关频率却比IGBT高出许多。
较新式的MOSFET具有更低的传导损耗和开关损耗,在直到600V的中等电压运用中正在代替IGBT.规划代替性动力电力体系、UPS、开关电源(SMPS)和其他工业体系的工程师正不断设法改善这些体系的轻载和满载功率、功率密度、可靠性和动态功能。风能是添加最快的动力之一,一个运用实例便是风力机叶片操控,其间运用了很多的MOSFET器材。经过投合不同的运用需求,特定运用的MOSFET能够协助完成这些改善。
其它需求新式和特定MOSFET解决计划的近期运用,包含易于装置在家庭车库和商业停车场的电动汽车(EV)充电体系。这些EV充电体系将经过光伏(PV)太阳能体系和共用电网运转。壁挂式EV充电站有必要完成快速充电。关于通讯电源而言,PV电池充电站也将变得重要。
三相电机驱动和UPS逆变器需求相同类型的MOSFET,但PV太阳能逆变器或许需求不同的MOSFET,如Ultra FRFET MOSFET和惯例体二极管MOSFET.最近几年,业界很多出资PV太阳能发电。大大都添加开始于住所太阳能项目,但较大的商业项目正在呈现:比方多晶硅价格从2007年400美元/千克下跌至2009年70美元/千克等事情,都促进了巨大的商场添加。
正在遍及的并网逆变器是一种将直流电转化为交流电并注入现有共用电网的专用逆变器。直流电源由可再生动力发生,比方小型或大型的风力机组或PV太阳能电池板。该逆变器也被称为同步逆变器。仅当衔接至电网时,并网逆变器才会作业。今日商场上的逆变器选用了不同的拓扑规划,取决于规划的权衡要求。独立式逆变器选用不同规划,以依照整、滞后或超前功率因数供电。
对PV太阳能体系的商场需求早已存在,因为太阳能能够协助下降顶峰电力本钱,能够消除燃料本钱的波动性,可为共用电网供给更多的电力,还可作为“绿色”动力进行推行。
美国政府现已设定了方针,要求国家电力的80%来自绿色动力。原因如上所述,结合美国政府的方针,PV太阳能解决计划现已成为一个不断添加的商场。这带来了对MOSFET器材不断添加的需求。假如优化不同拓扑的MOSFET器材,终端产品的解决计划可完成明显的功率进步。
高开关频率运用需求以献身RDSON为价值来下降MOSFET的寄生电容,而低频运用却要求以下降RDSON为最高优先级。关于单端运用,MOSFET体二极管的康复并不重要,但关于双端运用却十分重要,因为它们需求低tRR、QRR和更软的体二级管康复。在软开关双端运用中,这些要求关于可靠性极其重要。在硬开关运用中,跟着作业电压添加,导通和关断损耗也将添加。为削减关断损耗,能够依据RDSON来优化CRSS和COSS.
MOSFET支撑零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)拓扑,不过IGBT却仅支撑ZCS拓扑。一般,IGBT用于大电流和低频开关,而MOSFET则用于小电流和高频开关。混合形式仿真东西能够用来规划特定运用的MOSFET.在硅和沟槽技能方面的发展下降了导通电阻(RDSON)和其他动态寄生电容,并改善了MOSFET的体二极管康复功能。封装技能也在这些特定运用的MOSFET中发挥了效果。
逆变器体系
DC-AC逆变器广泛用于电机驱动、UPS和绿色动力体系。一般,高电压和大功率的体系运用IGBT,但关于低压、中压和高压(12V至400V输入直流总线)而言,一般运用MOSFET.在用于太阳能逆变器、UPS逆变器和电机驱动逆变器的高频DC-AC逆变器中,MOSFET已取得遍及。在直流总线电压大于400V的某些运用中,高压MOSFET被用于小功率运用。MOSFET具有一个固有的开关功能很差的体二极管,该二极管一般会在逆变器桥臂的互补MOSFET中带来高注册损耗。在单开关或单端运用(例如PFC、正激或反激转化器)中,体二极管并未正向偏置,因此能够疏忽它的存在。低载频逆变器承受着附加输出滤波器的尺度、重量和本钱的担负;高载频逆变器的优势则是更小、更低本钱的低通滤波器规划。MOSFET是这些逆变器运用的抱负之选,因为它们能够作业在较高的开关频率下。这能削减射频搅扰(RFI),因为开关频率电流重量在逆变器和输出滤波器内部活动,然后消除了向外活动。
针对逆变器运用的MOSFET的要求包含:
特定的导通电阻(RSP)应该较小,来削减导通损耗。器材到器材的RDSON改变应该较小,这有两个意图:在逆变器输出端的DC重量较少,且该RDSON能够用于电流检测来操控反常情况(主要在低压逆变器中);关于相同的RDSON,低RSP能够削减晶圆尺度,然后下降本钱。
当晶圆尺度减小时,能够运用非箝位感应开关(UIS)。应该选用杰出的UIS来规划MOSFET单元结构,且不能有太多的退让。一般,关于相同的晶圆尺度,比较平面MOSFET,现代沟槽MOSFET具有杰出的UIS.薄晶圆减小了热阻(RthJC),在这种情况下,较低的品质因数(FOM)能够表明为RSP×RthJC/UIS.3.杰出的安全作业区(SOA)和较低的跨导。
会有少数栅漏电容(CGD)(米勒电荷),但CGD/CGS比有必要低。适度高的CGD能够协助削减EMI.极低的CGD添加了dv/dt,并因此添加了EMI.低CGD/CGS比下降了击穿的或许性。这些逆变器不在高频下作业,因此答应栅极ESR有少量添加。因为这些逆变器作业在中等频率上,所以能够答应有稍高的CGD和CGS.
即便在该运用中作业频率已较低,但下降COSS有助于削减开关损耗。一起也答应略微增大COSS.
开关期间的COSS和CGD骤变会引起栅极振动和较高过冲,长期后将有或许损坏栅极。这种情况下,高源漏dv/dt会成为问题。
高栅极阈值电压(VTH)能够完成更好的抗噪性和更好的MOSFET并联。VTH应该超越3V.
体二极管康复:需求具有低反向康复电荷(QRR)和低反向康复时间(tRR)的更软、更快的体二级管。一起,软度因子S(Tb/Ta)应大于1.这将减小体二极管康复dv/dt及逆变器直通的或许性。活泼的体二极管会引起击穿和高压尖峰问题。
在某些情况下,需求高(IDM)脉冲漏极电流才能来供给高(ISC)短路电流抗扰度、高输出滤波器充电电流和高电机起动电流。
经过操控MOSFET的注册和关断、dv/dt和di/dt,可操控EMI.
经过在晶圆上运用更多的丝焊来削减共源电感。
在快速体二极管MOSFET中,体二极管的电荷生命周期缩短,因此使得tRR和QRR减小,这导致带体二极管的MOSFET与外延二极管类似。该特性使得该MOSFET成为针对各种不同运用的高频逆变器(包含太阳能逆变器)的极佳挑选。至于逆变器桥臂,二极管因为无功电流而被逼正导游通,这使得它的特性更为重要。惯例MOSFET体二极管一般具有长反向康复时间和高QRR.假如在负载电流从二极管向逆变器桥臂的互补MOSFET转化的过程中,体二极管被逼正导游通了,那么在tRR的整个时间段,电源将被抽走很大的电流。这添加了MOSFET中的功率耗散,且下降了功率。而功率是十分重要的,尤其是关于太阳能逆变器而言。
活泼体二极管还会引进瞬时直通情况,例如,当其在高dv/dt下康复,米勒电容中的位移电流能够对栅极充电到VTH以上,一起互补MOSFET会企图导通。这或许引起总线电压的瞬时短路,添加功率耗散并导致MOSFET失效。为防止此现象,可衔接外部的SiC或惯例硅二极管与MOSFET反向并联。因为MOSFET体二极管的正向电压较低,肖特基二极管有必要与MOSFET串联衔接。别的,还有必要在MOSFET与肖特基二极管组合的两头跨接反并联SiC.当MOSFET反偏时,外部SiC二极管导通,而且串接的肖特基二极管不答应MOSFET体二极管导通。这种计划在太阳能逆变器中现已变得十分遍及,能够进步功率,但却添加了本钱。
飞兆半导体选用FRFET的UniFET II MOSFET器材是一种高压MOSFET技能功率器材,合适以上所列运用。与UniFET MOSFET比较,因为RSP减小,UniFET II器材的晶圆尺度也减小,这有助于改善体二极管康复特性。这种器材现在有两个版别:具有较好体二极管的F型FRFET器材,和具有商场上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET.Ultra FRFET型能够省去逆变器桥臂中的SiC和肖特基二极管,一起到达相同的功率并下降本钱。在这种情况下,QRR现已从3100nC削减到260nC,而且二极管开关损耗也明显下降。
导通传达推迟、电流和电压振铃被减小,串联肖特基二极管的传导损耗也被消除。比较UniFET MOSFET,UniFET II器材还具有较低的COSS,因此开关损耗被减小。
电池供电离线UPS逆变器
在中压运用