1、前言
也許當前市場上高性能功率 MOSFET 最常見的用途也是選擇最合適的 FET 的最大挑戰(zhàn)。性能、價格和尺寸之間的權(quán)衡從來沒有比在開關模式電源 (SMPS) 中使用 MOSFET 的情況更混亂。
遍歷 SMPS 拓撲的詳盡列表，包括隔離的和非隔離的，并列出每種拓撲的最重要的考慮因素，可能需要一本小說——以及比我這樣的簡單營銷工程師擁有更多技術知識的應用專家。但我確實希望在本博客的后續(xù)段落中，我至少可以提供一些避免的提示和陷阱。
當今市場上的大多數(shù) SMPS 應用都在相對較高的頻率下運行，從 100kHz 一直到兆赫茲范圍。這意味著與電機控制等低頻應用不同，F(xiàn)ET 的選擇不僅僅與電阻和傳導損耗有關。頻率越高，開關損耗越大，這意味著性能最佳或效率最高的 FET 是最優(yōu)化低柵極（和其他）電荷與低導通電阻 R DS(上）。
說到電荷，也不一定都與柵極電荷有關。柵極電荷 Q G決定了 FET 快速開啟和關閉的能力，這是硬開關應用的重要考慮因素，其中關閉速度越快，電壓/電流重疊的持續(xù)時間越短。這就是為什么經(jīng)典 MOSFET 硅品質(zhì)因數(shù) (FOM) 為 R DS(ON) * Q G 的原因，最低值表示最佳性能。但其他開關參數(shù)可能同樣重要，甚至更重要，具體取決于應用。在高側(cè)開關期間，由輸出電容 C OSS決定的存儲能量損耗 E OSS會對整體系統(tǒng)效率產(chǎn)生很大影響（見圖 1）。
圖 1：降壓轉(zhuǎn)換器應用中控制 FET 的功率損耗分解
為了實現(xiàn)當代電源能源標準要求的更高效率，MOSFET 正在取代過去由二極管維護的插座，以用作同步整流器開關（見圖 2）。對于同步整流器 FET，由 MOSFET 體二極管 Q RR的反向恢復電荷決定的反向恢復損耗通常是除傳導損耗之外的功率損耗的最大貢獻者。對于此類應用，更相關的 FOM 是 R DS(ON) * (1/2 Q OSS + Q RR )。圖 3 顯示了典型同步整流應用中使用的 80V MOSFET 的功率損耗擊穿。
圖 2：在許多應用中，低電阻 MOSFET 代替整流二極管以提高效率
圖 3：同步整流器的功率損耗擊穿
在各自 FOM 相對相等的給定 FET 技術中，電阻越低，柵極電荷越高。因此，最有效的解決方案是優(yōu)化傳導和開關損耗各自的貢獻。
考慮最近的一個示例，其中 TI 客戶想要推薦同步整流器 FET（針對給定的一組輸入條件和特定輸出電流）。圖 4 顯示了可用的五種不同電阻 FET 選項的相應傳導和開關損耗。請注意，在這些條件下，第四個和第五個選項產(chǎn)生的總功率損耗非常相似，兩者之間的曲線或多或少是平坦的。但是，第五個選項的阻力是第四個選項的 2 倍。在 FET 技術中，電阻與裸片尺寸成反比，因此我們可以（正確地）假設第五個選項是更具成本效益的解決方案。
圖 4：五種不同 MOSFET 選項的功率損耗 - 請注意，第四種和第五種選項的總損耗非常相似，盡管傳導和開關損耗不同
最后幾點需要考慮：
· SMPS 應用需要并聯(lián)多個 FET 的解決方案并不少見，特別是對于同步整流器。請記住，F(xiàn)ET 選項之間的電阻差異將與我們并聯(lián)的 FET 數(shù)量成正比。但與此同時，電荷差異將乘以相同的系數(shù)，因此在一定數(shù)量的 FET 中，開關損耗將降低整體系統(tǒng)效率。
· 方案選擇也很重要。雖然像晶體管輪廓 TO-220 和 D2PAK 這樣的舊封裝可以在內(nèi)部安裝大量硅芯片并耗散大量功率（尤其是安裝在大型散熱器上的通孔器件），但它們的封裝電阻也明顯高于四方扁平無引線封裝（ QFN) 設備。此外，在高頻下，諸如 MOSFET 的源極片電感等寄生元件開始發(fā)揮更大的作用，并對開關節(jié)點振鈴和整體系統(tǒng)效率產(chǎn)生破壞性影響。因此，QFN 封裝（如 TI 的 SON5x6 或 SON3x3）可以實現(xiàn)比 TO 同類產(chǎn)品更高的功率密度，并且?guī)缀蹩偸歉m合驅(qū)動數(shù)百到千赫茲范圍內(nèi)的更高頻率。
· 我們可以直接從 MOSFET 的數(shù)據(jù)表中辨別一些關鍵的 SMPS 參數(shù)，例如 R DS(on)和 Q G。數(shù)據(jù)表上的其他參數(shù)，如 Q RR和 Q OSS，則更加不可靠。因此，最好進行板載、逐個測量，以便在不同 FET 供應商之間進行公平比較。
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