評估超接面功率 MOSFET 的效能和效率

超接面功率 MOSFET 已經長期主導高壓開關應用，不禁令人思考是否有更好的替代品。然而，因為可在效能、效率和成本效益之間持續達到平衡，因此對許多新式應用來說，是電子電力設計進行最佳化時不可或缺的要件。

自世紀交會之際，矽基超接面 MOSFET 就已上市，是以 P 型和 N 型半導體材料層交替堆疊的方式來建立 PN 接面，比起傳統的平面 MOSFET，導通電阻 (R_DS(ON)) 和閘極電荷 (Q_g) 皆有所降低。這些優點已在效能指數 (FOM) 的計算中量化，計算方式為 FOM = R_DS(ON) x Q_g。

FOM 可量化 MOSFET 在導通時的電阻大小，以及開啟和關閉需要多少電荷。

Q_g 可輕鬆比較切換效能，但有時可能過度凸顯。現代閘極驅動器可以滿足大多數閘極電荷要求，因此追求進一步最佳化的設計人員，可能會以推高成本為代價，試圖提升其他關鍵參數。

超接面 MOSFET 具有電荷平衡設計，因此可允許更薄且更高摻雜的區域。其電源轉換的效率源自於能更迅速啟動與關閉 MOSFET 的能力，因此可降低切換損耗。由於效率提升，可在運作期間減少發熱，因此熱管理問題也得以簡化。

當然，何時或是否要使用，取決於應用的具體要求。在講究高壓切換效率和緊湊設計的應用中很受歡迎，例如 AC/DC 電源供應器和轉換器、變頻馬達驅動器、太陽能逆變器等。

不要忽視 Q_rr 值

挑選應用的超接面 MOSFET 時，另一個要考量的因素就是逆向恢復電荷 (Q_rr)，即在切換循環期間，電流流過 MOSFET 本體二極體時，在 PN 接面中累積的電荷。若累積量大，可能會導致電壓尖波和額外的損耗，因此較低的恢復電荷，對於提高效率以及將切換損耗降至最低來說非常重要。

高 Q_rr 引起的暫態事件也會產生電磁干擾 (EMI)，會對敏感元件和訊號完整性產生負面影響。

降低 Q_rr 有利於增進效能，尤其是在會放大這些影響的高頻應用中，並可確保最佳化運作以及符合 EMI 參數。從產品設計的角度來看，較低的電荷可以提供以下優點：

• 隨著能量耗散最小化，切換損耗會降低
• 能源利用率提升會增進效率
• 增進熱效能，並可在切換過程中降低發熱
• 藉由減少電壓尖波和振鈴來降低 EMI
• 切換循環期間的應力降低，因此可達到更長期的可靠性

通常，應用的頻率越高，就更應該優先降低 Q_rr。判定該因素在應用中對發熱有何影響也很重要，以便瞭解後續的散熱要求。

在確定一或多個候選 MOSFET後，設計人員可以使用模擬工具對 MOSFET 進行建模，瞭解 Q_rr 在應用中的行為及對效能的影響。使用示波器和電流探針進行實驗測試，就可對特定 MOSFET 進行切換事件的測量。

規格值與應用需求之間的搭配，必須在效率和其他參數之間取得適當的平衡，例如熱效能、跨導、臨界電壓和二極體順向電壓等參數。

挑選合適的功率 MOSFET

Nexperia 提供兩個超接面功率 MOSFET 產品系列，能為產品設計人員提供眾多品項，以配合正確的切換效能組合，以滿足各種應用要求。

該公司的 NextPower 80 V 和 100 V MOSFET 適用於講究高效切換和高可靠性應用 (如電源供應器、工業設計和電信) 的設計人員。這些裝置可提供低至 50 nC 的 Q_rr，具有更低的逆向恢復電流 (I_rr)、更低的電壓尖波 (V_peak) 和更低的振鈴特性。

這些裝置採用 LFPAK56、LFPAK56E 和 LFPAK88 銅夾封裝，可在不影響熱效能或可靠性的情況下提供節省空間的靈活性。LFPAK56/LFPAK56E 封裝的覆蓋區為 5 mm x 6 mm 或 30 mm²，與 163 mm² 的 D²PAK 相比，節省 81% 的空間，與 70 mm² 的 DPAK 相比，節省 57% 的空間 (圖 1)。

圖 1：LFPAK56 封裝 (右) 與 D²PAK (左) 和 DPAK 封裝的比較。(圖片來源：Nexperia)

LFPAK56E (圖 2) 是 LFPAK56 的增強版本，可在維持相同緊湊尺寸下達到更低的電阻，進而提升效率。PSMN3R9-100YSFX 就是增強型封裝的例子之一，屬於 100 V、4.3 mOhm、N 通道 MOSFET，連續電流額定值為 120 A。此元件的溫度等級為 +175°C，推薦用於工業和消費性應用，包括 AC/DC 和 DC/DC 同步整流器、48 V DC/DC 一次側開關、BLDC馬達控制、USB-PD 配接器、全橋和半橋應用，以及返馳式和諧振拓撲。

圖 2：LFPAQK56E 封裝的 PSMN3R9-100YSFX 和其他NextPower 80/100 V 超接面功率 MOSFET。(圖片來源：Nexperia)

NextPower PSMN2R0-100SSFJ 是一款 100 V、2.07 mOhm、267 A、N 通道 MOSFET，採用 LFPAK88 封裝，覆蓋區為 8 mm x 8 mm。此元件也符合 +175°C 的溫度要求，推薦用於工業和消費性應用，如 AC/DC 和 DC/DC 中的同步整流器、一次側開關、BLDC 馬達控制、全橋和半橋應用以及電池保護。

對於優先考量高效能和可靠性的設計人員來說，NextPowerS3 MOSFET 提供 25 V、30 V 和 40 V 款式，搭載 Schottky-Plus 本體二極體，可提供低 R_{DS (ON)} 和高達 380 A 的連續電流能力。例如，PSMN5R4-25YLDX 是一款採用標準 LFPAK56 封裝的 NextPowerS3 N 通道 25 V、5.69 mΩ 邏輯位準 MOSFET。

Nexperia 的 Schottky-Plus 技術可提供高效率、低尖波效能 (這通常要搭載整合式肖特基或類肖特基二極體的 MOSFET 才可達到)，卻沒有高漏電流的問題，可在 +25°C 下達到 <1 μA 的漏電流。

NextPowerS3 裝置推薦用於眾多應用，包括伺服器和電信用的板載 DC-DC 解決方案、穩壓器模組 (VRM)、負載點 (POL) 模組；供電給 V-core、ASIC、DDR、GPU、VGA 和系統元件；以及有刷／無刷馬達控制。

NextPowerS3 裝置還提供 3.3 mm x 3.3 mm LFPAK33 覆蓋區 (圖 3)，包括 30 V PSMN1R8-30MLHX，適用於同步降壓穩壓器、AC/DC 和 DC/DC 應用中的同步整流器、BLDC (無刷) 馬達控制以及電子保險絲和電池保護等應用。

圖 3：NextPowerS3 LKPAK33 封裝 (右) 與 DPAK 封裝的比較圖。(圖片來源：Nexperia)

結論

矽基超接面功率 MOSFET 對許多新型電力電子應用來說，是在所需效能、效率和成本效益之間達到平衡不可或缺的要件。Nexperia 的 NextPowerS3 和 NextPower 80/100 V MOSFET 產品組合為產品設計人員提供一系列特性，可滿足這些需求，並採用緊湊的熱增強型 LFPAK 封裝，可提高功率密度和可靠性。