今天，硅 MOSFET 的選擇主要分為兩大類：平面和/或溝槽 MOSFET 和超結 MOSFET。平面 MOSFET 的有源區靠近管芯表面(圖 1a)。為了降低 R DS(on)，需要額外的芯片面積，而為了增加 MOSFET 的電壓，芯片必須做得更厚。相比之下，超級結 MOSFET(圖 1b)利用其裸片深度來增加溝道面積，從而顯著降低其 R DS(on) 對于給定的芯片面積。與平面 MOSFET 相比，通過在更小的表面積內大大增加導電面積，超級結 MOSFET 允許每個額定電流的管芯尺寸更小。作為一個額外的好處，它們提供更低的寄生電容和更快的開關速度。

圖 1a：標準平面 MOSFET 結構。

圖 1b：通用超級結 MOSFET 的構造。

表 1 比較了標準平面 MOSFET 和 D3 Semiconductor 新推出的高性能 +FET 超級結 MOSFET 之間的關鍵參數，它們具有幾乎相同的漏極電壓和電流額定值。如圖所示，超級結 MOSFET 的 R DS(on) 和 MOSFET 惱人的寄生電容要低得多，開關速度快三倍以上。真正顯著的因素是超級結 MOSFET 的無蓋管芯面積是平面 MOSFET 的三分之一。表 1：代表性標準與 D3 超級結 MOSFET 的比較。

超級結 MOSFET 和標準平面 MOSFET 之間的效率比較充分說明了設計人員如何提高典型離線開關電源的成本和開關性能。D3 Semi 的超級結 MOSFET 的裸片面積減少了 73% 以上，輸入柵極電容 (C iss ) 減少了 50% 以上，米勒值減少了 69% 以上電容(C RSS)。

電源中的 MOSFET 性能

圖 2 顯示了在測試開關電源在其預期負載范圍內的效率時非常常見的曲線。效率在最大負載和最小負載之間的某個負載處表現出峰值。通過良好的設計，該峰值將位于或接近電源運行超過其運行壽命的 90% 的位置。它的位置和峰值完全取決于在設計過程中權衡各種 MOSFET 參數。

圖 2：效率與負載——影響。

在輕負載下，接通時間(占空比)很小。這使得 MOSFET 傳導損耗變得不那么顯著。在這里，開關和柵極驅動損耗決定了它的效率。在典型電源中，開關頻率相對恒定，因此開關和驅動損耗也相對恒定。

在較高負載下，MOSFET(和輸出整流器)傳導損耗變得比驅動和開關損耗更重要。在這里，R DS(on)的值 變得很重要。與所有電阻開關一樣，電源效率會隨著輸出負載的增加而下降。這種非線性效應是 ID 2 (R DS(on) ) 損失。

設計考慮

在考慮開關電源設計的最佳 MOSFET 時，有許多微妙的方面。傳統觀點認為，最低的 R DS(on) 會產生最有效的供應。然而，只看電源在一種工作條件下的效率可能會產生很大的誤導。為了非常清楚地了解電源在其整個工作范圍內的性能，應該考慮在輸出負載 (W) 和輸入電壓的預期范圍內效率的變化。

如圖 3 所示，該效率峰值有助于為您的設計和工作范圍選擇“最佳”MOSFET。這就是您的電源在其運行壽命的 90% 以上的情況下出現峰值效率的地方。

圖 3：在電源中選擇最低 R DS(on) MOSFET 的示例。 圖 4 是負載范圍內三種損耗行為的定性表示。這僅描述了單獨的損失，而不是集體的損失。當這些損失結合起來(相加)時，結果會提供更多信息。

此示例顯示了當設計人員 在一系列高壓 MOSFET 產品中選擇 R DS(on)最低的 MOSFET 時會發生什么。與選擇的更高 R DS(on) (更小的芯片面積)器件相比，結果是總體上更低的電源效率。(當然，考慮到 MOSFET 參數和工作條件的范圍，結果存在一整套變化。這代表了設計決策不佳的最壞結果。)

圖 4：三種損耗在負載范圍內的行為。

選擇可用的最低 R DS(on) MOSFET 會增加 C iss 和 C rss，這反過來又需要更高的峰值柵極驅動電流。由于柵極驅動器無法在短時間內提供該峰值電流，因此 MOSFET 開關速度較慢(更長的 tSW 和更低的 dVDS/dt)。這大大增加了顯著的漏源開關損耗和柵極驅動器損耗。柵極驅動器的損耗與峰值柵極電流的幅度和開關 MOSFET 所需的時間延長有關。

由此產生的驅動和漏源開關損耗會使負載較輕時效率明顯變差，并且在算術上也會降低這些損耗的組合效率曲線。這會降低整體效率，尤其是在負載較輕的情況下，并將峰值效率點推向更高的負載。

降低 R DS(on)的感知好處 確實會降低傳導損耗，但其總體效果有些微不足道。傳導損耗主要負責效率曲線的“曲線”。R DS(on) s越低，彎曲程度越小。由于 R DS(on)降低而導致的效率提高 只是算術上的。導通損耗仍然主要由漏極電流的平方決定。這有助于更高的負載，其中效率主要由傳導損耗決定。在圖4的情況下，開關損耗和驅動損耗的增加大于提高的效率水平和曲率的改善。這是一個非常可能的結果。

對于一般工程師來說，并沒有真正了解 MOSFET 的物理影響，因此選擇 MOSFET 一次就可以接受結果。對于有見識的設計人員來說，只有在更徹底地檢查 MOSFET 行為時，這才是可以接受的。

在考慮開關電源設計的最佳 MOSFET 時，有許多微妙的方面。對 MOSFET 的結構以及其相互依賴的參數如何影響電源性能的一些基本了解，讓設計人員了解為什么從標準平面 MOSFET 遷移到超級結 MOSFET 是令人信服的。

審核編輯：湯梓紅