功率元器件应用秘诀，采用专用MOSFET提高效率

　　具较高开关频率　MOSFET应用范围优于IGBT

　　由于电力需求日益增长，且发电成本也同步上升，对公家事业而言，政府机构要求减少有害气体排放量的压力也在增加，在在迫使设计人员须提高设备电源效率和性能。尤其各国政府机构对最低电源转换效率的规範，更让元件设计人员须根据特殊拓扑的变化，开发特定应用MOSFET，因此元件参数在所有拓扑中，均扮演改善电路效率和性能的重要角色。

　　在1970年代晚期推出MOSFET前，闸流体（Thyristor）和双极型接面电晶体（Bipolar Junction Transistors， BJT）是仅有的功率开关。BJT是电流受控元件，而MOSFET与在1980年代面世的绝缘闸双极电晶体（IGBT）则同为电压受控元件。

　　然而，MOSFET是正温度系数元件，但IGBT不一定是正温度系数元件；且MOSFET为多数载流子元件，成为高频应用的理想选择，如将DC转换为AC的逆变器，可以在超音波的频率下工作，以避免音频干扰；相较于IGBT，MOSFET还具有高抗雪崩能力。

　　在选择MOSFET时，工作频率是一项重要的考量因素，与同等的MOSFET相比，IGBT具有较低的箝位能力。当在IGBT和MOSFET之间选择时，必须考虑逆变器输入的DC汇流排电压、额定功率、功率拓扑和工作频率。IGBT通常用于200伏特（V）及以上的应用；而MOSFET可用于从201000伏特的应用。市面上业者虽可提供300伏特的IGBT，但MOSFET的开关频率比IGBT高得多，且较新型MOSFET还具有更低的导通损耗和开关损耗，逐渐在高达600伏特的中等电压应用取代IGBT。

　　环保节能意识抬头　特定应用MOSFET需求大增

　　对替代能源电力系统、UPS、开关电源和其他工业系统的设计工程师而言，由于须不断设法改进系统轻载和满载时的电源转换效率、功率密度、可靠性和动态性能，故对效能优异的特定应用MOSFET需求殷切。其中，风能是近来增长最快的能源之一，风力机翼片控制中须使用大量的MOSFET元件，藉着满足不同应用需求，特定应用MOSFET即可改善上述所需的功能表现。

　　不久的将来，其他需要新型和特定MOSFET的应用还包括易于安装在家庭车库，或商业停车场的电动车充电系统。这些充电系统将通过太阳能系统和公用电网（Utility Grid）来运行。由于壁挂式电动车充电站须具快速充电能力，且建置太阳能电池充电站也将变得愈来愈重要，均须导入可支援高压的特定应用MOSFET。

　　太阳能逆变器可能需要不同的MOSFET，例如Ultra FRFET MOSFET和常规体（Regular Body）二极体MOSFET；至于叁相马达驱动和UPS逆变器则需相同类型的MOSFET。近来，业界大量投资太阳能发电，大多数增长始于住宅太阳能计画，随后较大规模的商业专案也陆续出现，而多晶硅价格已从2007年的每公斤400美元跌落至2009年的每公斤70美元，且仍持续降价，也将驱动市场显着增长。

　　事实上，太阳能系统对特定应用MOSFET的需求早已存在。由于太阳能可帮助降低峰值功率的成本，避免发电成本随燃料价格波动而增加，并可为公用电网提供更多的电力，成为取之不尽的绿色能源；加上美国政府已设定目标，要求80%的国家电力要来自绿色能源，在在带动对特定应用MOSFET元件不断增长的需求。如果将不同拓扑的MOSFET元件优化，可显着提升最终产品解决方案的效率。

　　与此同时，逐渐普及的市电并联（Grid-tie）逆变器係一种将DC转换为AC注入现有公用电网的专用逆变器。DC电源由可再生能源产生，如风力机组或太阳能电池板，该逆变器也被称为电网交互（Grid Interactive）或同步逆变器，只有在连接至电网时，市电并联逆变器才会工作。目前市场上的逆变器採用各种拓扑设计，视功能要求的折衷权衡而定，独立操作的逆变器也以特定设计，提供功率因数为1，或延迟、超前的电源。

　　儘管特定应用MOSFET正快速兴起，但其诉求高开关频率须降低MOSFET的寄生电容，此一做法的代价将牺牲导通电阻（Rds（on））。而低频应用，则要求以降低Rds（on）做为最优先考量。对于单端型应用，MOSFET自体二极体恢復（Body Diode Recovery）特性并不重要，但对双端型应用则变得非常重要，因其要求低反向恢復电荷（Reverse Recovery Charge， QRR）和低反向恢復时间（Reverse Recovery Time， tRR）和更软的自体二极体恢復。在软开关双端应用中，这些要求对可靠性极其重要；而硬开关应用因工作电压增加，导通和关断损耗也将提高，为减少关断损耗，可根据Rds（on）来优化CRSS和COSS。

　　MOSFET支援零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）拓扑；然而IGBT仅支持ZCS拓扑，故一般而言，IGBT应用于大电流和低频开关，MOSFET用于小电流和高频开关；而透过混合模式模拟工具则可用来设计特定应用MOSFET。

　　事实上，随着硅、沟槽技术迭有进展，特定应用MOSFET的导通电阻及其他动态寄生电容均已大幅降低；同时，更先进的封装技术也对改善特定应用MOSFET的自体二极体恢復性能，发挥关键性的作用。

　　MOSFET适用高/低频逆变器

　　以DC-AC逆变器应用为例，其广泛应用于马达驱动、UPS和绿色能源系统，通常高电压和大功率系统使用IGBT；但对LV、MV、HV（12400伏特输入DC汇流排），通常使用MOSFET。在太阳能、UPS和马达驱动的高频DC-AC逆变器领域，MOSFET已相当普及。

　　在某些DC汇流排电压大于400伏特的情况下，会採用HV MOSFET；至于用在低功率应用上，因MOSFET具有一个内在的自体二极体，其开关性能很差，通常会在逆变器桥臂互补MOSFET中带来高导通损耗。不过，在单开关或单端型应用中，如功率因数校正（PFC）、正向或返驰式（Flyback）转换器，自体二极体不是正向偏压，可忽略它的存在。

　　由于低载波频率逆变器的负担是附加输出滤波器的尺寸、重量和成本；高载波频率逆变器的优势是较小、较低成本的低通滤波器设计。MOSFET可通用在这些逆变器裡，因可在较高的开关频率下工作，此即减少射频干扰（Radio-Frequency Interference， RFI），且因开关频率电流成分在逆变器和输出滤波器内流转，从而消除向外的流动。

　　逆变器强调安全高效率　MOSFET须面面俱到

　　逆变器内建的MOSFET要求降低导通损耗，导致元件到元件之间的Rds（on）变化也须做到更小。此举有两个主要目的，首先在逆变器输出端的DC成分较少，且此一Rds（on）可用于电流感测，以控制异常状况（主要是在低压逆变器中）；另外就是对相同的Rds（on），低导通电阻可缩小裸晶尺寸，从而降低成本。

　　当裸晶尺寸缩小时，还可进一步使用非箝位感应开关（Unclamped Inductive Switching， UIS）来设计MOSFET单元结构；相较于平面MOSFET，在相同的裸晶尺寸条件下，现代沟槽MOSFET具有良好的UIS。而薄裸晶减小热阻（Thermal Resistance， RthJC），在这种情况下，较低的品质因数（FOM）可以公式1表示：

　　RSP×RthJC/UIS.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。公式1

　　对逆变器而言，MOSFET还须拥有良好的安全工作区（Safe Operating Area， SOA）和较低的跨导。同时，逆变器会产生少量的闸漏电容（Gate-to-drain Capacitance， CGD）（米勒电荷），但低CGD/CGS比是必要的，可降低击穿的机率，且适度提高CGD可帮助减少电磁干扰（EMI），而低CGD则增加dv/dt，并因此加剧EMI。这些逆变器不在高频下工作，而是处于中频状态，故可让闸极ESR增加少许，并可允许稍高的CGD和CGS。

　　此外，MOSFET也要降低COSS减少开关损耗，但开关期间的COSS和CGD突变会引起闸极振盪和高过衝，长时间可能损坏闸级。这种情况下，高源漏dv/dt会成为一个问题。若藉由超过3伏特的高闸极阈值电压（VTH），则可实现更好的抗噪性和并联效益。

　　必须注意的是，逆变器MOSFET在某些情况下，需要高脉衝漏极电流（IDM）能力，以提供高短路电流的抗扰度，高输出滤波器的充电电流，以及高马达启动电流。另外，藉着在裸晶上使用更多的接合丝焊来减少MOSFET的共源极电感。

　　最后则是拥有自体二极体恢復能力，MOSFET须具低QRR和tRR，且更软、更快的自体二极体。同时，软度因数（Softness Factor）S（Tb/Ta）应该大于1。如此一来，将可减小二极体恢復、dv/dt及逆变器的击穿可能性；反过来说，活跃（Snappy）自体二极体会引起击穿和高电压尖峰脉