在70年代晚期推出MOSFET之前,，晶閘管和雙極結(jié)型晶體管（BJT）是僅有的功率開關(guān),。BJT是電流控制器件，而MOSFET是電壓控制器件,。在80年代,，IGBT面市,，它仍然是一種電壓控制器件。MOSFET是正溫度系數(shù)器件,，而IGBT則不一定,。MOSFET是多數(shù)載流子器件，因而是高頻應(yīng)用的理想選擇,。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的逆變器,，可以在超聲頻率下工作以避免音頻噪聲。相比IGBT,，MOSFET還具有高抗雪崩能力,。在選擇MOSFET時，工作頻率是一個重要因素,。相比同等MOSFET,，IGBT具有較低的箝位能力。在IGBT和MOSFET之間選擇時,，必須考慮逆變器輸入的直流總線電壓,、功率定額、功率拓?fù)浜凸ぷ黝l率,。IGBT通常用于200V及以上的應(yīng)用,，而MOSFET可以用于從20V到1000V的應(yīng)用。雖然飛兆半導(dǎo)體公司擁有300V的IGBT,，但MOSFET的開關(guān)頻率卻比IGBT高出許多,。
較新型的MOSFET具有更低的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，在直到600V的中等電壓應(yīng)用中正在取代IGBT,。設(shè)計(jì)替代性能源電力系統(tǒng),、UPS、開關(guān)電源（SMPS）和其他工業(yè)系統(tǒng)的工程師正不斷設(shè)法改進(jìn)這些系統(tǒng)的輕載和滿載效率,、功率密度,、可靠性和動態(tài)性能。風(fēng)能是增長最快的能源之一，一個應(yīng)用實(shí)例就是風(fēng)力機(jī)葉片控制,，其中使用了大量的MOSFET器件,。通過迎合不同的應(yīng)用需求，特定應(yīng)用的MOSFET可以幫助實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn),。
其它需要新型和特定MOSFET解決方案的近期應(yīng)用,，包括易于安裝在家庭車庫和商業(yè)停車場的電動汽車（EV）充電系統(tǒng)。這些EV充電系統(tǒng)將通過光伏（PV）太陽能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)運(yùn)行,。壁掛式EV充電站必須實(shí)現(xiàn)快速充電,。對于通信電源而言，PV電池充電站也將變得重要,。
三相電機(jī)驅(qū)動和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET,，但PV太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET，如Ultra FRFET MOSFET和常規(guī)體二極管MOSFET,。最近幾年,，業(yè)界大量投資PV太陽能發(fā)電。大多數(shù)增長開始于住宅太陽能項(xiàng)目,，但較大的商業(yè)項(xiàng)目正在出現(xiàn)：諸如多晶硅價(jià)格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件,，都促進(jìn)了巨大的市場增長。
正在普及的并網(wǎng)逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入現(xiàn)有公用電網(wǎng)的專用逆變器,。直流電源由可再生能源產(chǎn)生,，比如小型或大型的風(fēng)力機(jī)組或PV太陽能電池板。該逆變器也被稱為同步逆變器,。僅當(dāng)連接至電網(wǎng)時,，并網(wǎng)逆變器才會工作。今天市場上的逆變器采用了不同的拓?fù)湓O(shè)計(jì),，取決于設(shè)計(jì)的權(quán)衡要求,。獨(dú)立式逆變器采用不同設(shè)計(jì)，以按照整,、滯后或超前功率因數(shù)供電,。
對PV太陽能系統(tǒng)的市場需求早已存在，因?yàn)樘柲芸梢詭椭档透叻咫娏Τ杀?，能夠消除燃料成本的波動性,，可為公用電網(wǎng)提供更多的電力，還可作為“綠色”能源進(jìn)行推廣,。
美國政府已經(jīng)設(shè)定了目標(biāo),，要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述,，結(jié)合美國政府的目標(biāo),，PV太陽能解決方案已經(jīng)成為一個不斷增長的市場,。這帶來了對MOSFET器件不斷增長的需求。如果優(yōu)化不同拓?fù)涞腗OSFET器件,，終端產(chǎn)品的解決方案可實(shí)現(xiàn)顯著的效率提升,。
高開關(guān)頻率應(yīng)用需要以犧牲RDSON為代價(jià)來降低MOSFET的寄生電容，而低頻應(yīng)用卻要求以降低RDSON為最高優(yōu)先級,。對于單端應(yīng)用,，MOSFET體二極管的恢復(fù)并不重要，但對于雙端應(yīng)用卻非常重要,，因?yàn)樗鼈冃枰蛅RR,、QRR和更軟的體二級管恢復(fù)。在軟開關(guān)雙端應(yīng)用中,，這些要求對于可靠性極其重要。在硬開關(guān)應(yīng)用中,，隨著工作電壓增加,，導(dǎo)通和關(guān)斷損耗也將增加。為減少關(guān)斷損耗,，可以根據(jù)RDSON來優(yōu)化CRSS和COSS,。
MOSFET支持零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）拓?fù)洌贿^IGBT卻僅支持ZCS拓?fù)?。通常,，IGBT用于大電流和低頻開關(guān)，而MOSFET則用于小電流和高頻開關(guān),?；旌夏Ｊ椒抡婀ぞ呖梢杂脕碓O(shè)計(jì)特定應(yīng)用的MOSFET。在硅和溝槽技術(shù)方面的進(jìn)展降低了導(dǎo)通電阻（RDSON）和其他動態(tài)寄生電容,，并改進(jìn)了MOSFET的體二極管恢復(fù)性能,。封裝技術(shù)也在這些特定應(yīng)用的MOSFET中發(fā)揮了作用。
逆變器系統(tǒng)
DC-AC逆變器廣泛用于電機(jī)驅(qū)動,、UPS和綠色能源系統(tǒng),。通常，高電壓和大功率的系統(tǒng)使用IGBT,，但對于低壓,、中壓和高壓（12V至400V輸入直流總線）而言，通常使用MOSFET,。在用于太陽能逆變器,、UPS逆變器和電機(jī)驅(qū)動逆變器的高頻DC-AC逆變器中，MOSFET已獲得普及,。在直流總線電壓大于400V的某些應(yīng)用中,，高壓MOSFET被用于小功率應(yīng)用,。MOSFET具有一個固有的開關(guān)性能很差的體二極管，該二極管通常會在逆變器橋臂的互補(bǔ)MOSFET中帶來高開通損耗,。在單開關(guān)或單端應(yīng)用（例如PFC,、正激或反激轉(zhuǎn)換器）中，體二極管并未正向偏置,，因而可以忽略它的存在,。低載頻逆變器承受著附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本的負(fù)擔(dān),；高載頻逆變器的優(yōu)勢則是更小,、更低成本的低通濾波器設(shè)計(jì)。MOSFET是這些逆變器應(yīng)用的理想之選,，因?yàn)樗鼈兛梢怨ぷ髟谳^高的開關(guān)頻率下,。這能減少射頻干擾（RFI），因?yàn)殚_關(guān)頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內(nèi)部流動,，從而消除了向外流動,。
針對逆變器應(yīng)用的MOSFET的要求包括：
特定的導(dǎo)通電阻（RSP）應(yīng)該較小，來減少導(dǎo)通損耗,。器件到器件的RDSON變化應(yīng)該較小,，這有兩個目的：在逆變器輸出端的DC分量較少，且該RDSON可以用于電流檢測來控制異常狀況（主要在低壓逆變器中）,；對于相同的RDSON,，低RSP可以減少晶圓尺寸，從而降低成本,。
當(dāng)晶圓尺寸減小時,，可以使用非箝位感應(yīng)開關(guān)（UIS）。應(yīng)該采用良好的UIS來設(shè)計(jì)MOSFET單元結(jié)構(gòu),，且不能有太多的讓步,。通常，對于相同的晶圓尺寸,，相比平面MOSFET,，現(xiàn)代溝槽MOSFET具有良好的UIS。薄晶圓減小了熱阻（RthJC）,，在這種情況下,，較低的品質(zhì)因數(shù)（FOM）可以表示為RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作區(qū)（SOA）和較低的跨導(dǎo),。
會有少量柵漏電容（CGD）（米勒電荷）,，但CGD/CGS比必須低。適度高的CGD可以幫助減少EMI,。極低的CGD增加了dv/dt,，并因此增加了EMI,。低CGD/CGS比降低了擊穿的可能性。這些逆變器不在高頻下工作,，因而允許柵極ESR有少許增加,。因?yàn)檫@些逆變器工作在中等頻率上，所以可以允許有稍高的CGD和CGS,。
即使在該應(yīng)用中工作頻率已較低,，但降低COSS有助于減少開關(guān)損耗。同時也允許稍微增大COSS,。
開關(guān)期間的COSS和CGD突變會引起柵極振蕩和較高過沖,，長時間后將有可能損壞柵極。這種情況下,，高源漏dv/dt會成為問題,。
高柵極閾值電壓（VTH）可以實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯(lián)。VTH應(yīng)該超過3V,。
體二極管恢復(fù)：需要具有低反向恢復(fù)電荷（QRR）和低反向恢復(fù)時間（tRR）的更軟,、更快的體二級管。同時,，軟度因子S（Tb/Ta）應(yīng)大于1。這將減小體二極管恢復(fù)dv/dt及逆變器直通的可能性,?；钴S的體二極管會引起擊穿和高壓尖峰問題。
在某些情況下,，需要高（IDM）脈沖漏極電流能力來提供高（ISC）短路電流抗擾度,、高輸出濾波器充電電流和高電機(jī)起動電流。
通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷,、dv/dt和di/dt,，可控制EMI。
通過在晶圓上使用更多的絲焊來減少共源電感,。
在快速體二極管MOSFET中,，體二極管的電荷生命周期縮短，因而使得tRR和QRR減小,，這導(dǎo)致帶體二極管的MOSFET與外延二極管相似,。該特性使得該MOSFET成為針對各種不同應(yīng)用的高頻逆變器（包括太陽能逆變器）的極佳選擇。至于逆變器橋臂,，二極管由于無功電流而被迫正向?qū)?，這使得它的特性更為重要。常規(guī)MOSFET體二極管通常具有長反向恢復(fù)時間和高QRR,。如果在負(fù)載電流從二極管向逆變器橋臂的互補(bǔ)MOSFET轉(zhuǎn)換的過程中,，體二極管被迫正向?qū)?，那么在tRR的整個時間段，電源將被抽走很大的電流,。這增加了MOSFET中的功率耗散,，且降低了效率。而效率是非常重要的,，尤其是對于太陽能逆變器而言,。
活躍體二極管還會引入瞬時直通狀況，例如,，當(dāng)其在高dv/dt下恢復(fù),，米勒電容中的位移電流能夠?qū)艠O充電到VTH以上，同時互補(bǔ)MOSFET會試圖導(dǎo)通,。這可能引起總線電壓的瞬時短路,，增加功率耗散并導(dǎo)致MOSFET失效。為避免此現(xiàn)象,，可連接外部的SiC或常規(guī)硅二極管與MOSFET反向并聯(lián),。因?yàn)镸OSFET體二極管的正向電壓較低，肖特基二極管必須與MOSFET串聯(lián)連接,。另外,，還必須在MOSFET與肖特基二極管組合的兩端跨接反并聯(lián)SiC。當(dāng)MOSFET反偏時,，外部SiC二極管導(dǎo)通,，并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導(dǎo)通。這種方案在太陽能逆變器中已經(jīng)變得非常普及,，可以提高效率,，但卻增加了成本。
飛兆半導(dǎo)體采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術(shù)功率器件,，適合以上所列應(yīng)用,。與UniFET MOSFET相比，由于RSP減小,，UniFET II器件的晶圓尺寸也減小,，這有助于改進(jìn)體二極管恢復(fù)特性。這種器件目前有兩個版本：具有較好體二極管的F型FRFET器件,，和具有市場上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET,。Ultra FRFET型可以省去逆變器橋臂中的SiC和肖特基二極管，同時達(dá)到相同的效率并降低成本,。在這種情況下,，QRR已經(jīng)從3100nC減少到260nC，并且二極管開關(guān)損耗也顯著降低,。
導(dǎo)通傳播延遲,、電流和電壓振鈴被減小,，串聯(lián)肖特基二極管的傳導(dǎo)損耗也被消除。相比UniFET MOSFET,，UniFET II器件還具有較低的COSS,，因而開關(guān)損耗被減小。
電池供電離線UPS逆變器
在中壓應(yīng)用中,，飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench MOSFET技術(shù)是針對此類逆變器的不錯的解決方案,。
相比于相同MOSFET，其開通損耗也降低了約20%,，如圖5所示,。該體二極管具有較低的tRR和QRR。根據(jù)表1,，低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性,。這種MOSFET技術(shù)支持離線UPS逆變器。
開關(guān)電源市場
通過結(jié)合改進(jìn)的電源電路拓?fù)浜透拍钆c改進(jìn)的低損耗功率器件,，開關(guān)電源行業(yè)在提高功率密度,、效率和可靠性方面，正在經(jīng)歷革命性的發(fā)展,。移相-脈寬調(diào)制-零電壓開關(guān)-全橋（PS-PWM-FB-ZVS）和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)淅肍RFET MOSFET作為功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)了這些目標(biāo),。LLC諧振轉(zhuǎn)換器通常用于較低功率應(yīng)用，而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應(yīng)用,。這些拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)勢：減少了開關(guān)損耗,；減少了EMI；相比準(zhǔn)諧振拓?fù)錅p少了MOSFET應(yīng)力,；由于增加了開關(guān)頻率，提高了功率密度,，因而減小了散熱器尺寸和變壓器尺寸,。
用于移相全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET要求包括：具有較低tRR和QRR以及最佳軟度的快速軟恢復(fù)體二極管MOSFET，這能提高dv/dt和di/dt抗擾性,，降低二極管電壓尖峰,，并增加可靠性；低QGD和QGD對QGS之比：在輕載下,，將出現(xiàn)硬開關(guān),，并且高CGD*dv/dt會引起擊穿；在關(guān)斷和導(dǎo)通期間,，柵極內(nèi)部較低的分布ESR對ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布有益,；輕載下，低COSS可擴(kuò)展ZVS開關(guān),，此時 ZVS開關(guān)變?yōu)橛查_關(guān),，低COSS將減少硬開關(guān)損耗,；該拓?fù)涔ぷ髟诟哳l下，需要優(yōu)化的低CISS MOSFET,。
以上應(yīng)用推薦使用FRFET,、UniFET II和SupreMOS MOSFET。常規(guī)MOSFET體二極管會引起失效,。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET（FCH47N60NF）就適用于此拓?fù)?，因?yàn)閠RR和QRR已有改進(jìn)。另外,，會引起失效的活躍二極管也已改進(jìn),。
離線式AC/DC
通常，AC電源經(jīng)整流輸入大電容濾波器,，且從該電源抽取的電流為大振幅窄脈沖,，該級形成了SMPS的前端。大振幅電流脈沖將產(chǎn)生諧波,，而引起對其它設(shè)備的嚴(yán)重干擾,，并減少可以獲得的最大功率。失真的線路電壓將引起電容器過熱,、電介質(zhì)應(yīng)力和絕緣過壓,；失真的線路電流將增加配電損耗，并減少可用功率,。利用功率因數(shù)校正,，可以確保符合管理規(guī)范，減少因上述應(yīng)力而導(dǎo)致的器件失效,，并通過增加從電源獲得的最大功率,，改進(jìn)器件效率。
功率因數(shù)校正是一種使輸入盡可能變成純阻性的方法,。與典型的SMPS只有0.6到0.7的功率因數(shù)值相比,，這非常令人滿意，因?yàn)殡娮杈哂姓β室驍?shù),。這使得配電系統(tǒng)能夠以最高效率運(yùn)行,。
功率因數(shù)控制升壓開關(guān)的要求包括：
低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù)。QGD和CGD會影響開關(guān)速率,，低CGD和QGD會減少開關(guān)損耗,，低RSP會減少傳導(dǎo)損耗。
對于硬開關(guān)和ZVS開關(guān),，低COSS將減少關(guān)斷損耗,。
低CISS將減少柵極驅(qū)動功率，因?yàn)镻FC通常工作在100KHz以上的某個頻率。
高dv/dt抗擾能力以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行,。
如果需要MOSFET并聯(lián),，高柵極閾值電壓（VTHGS）（3~5V）可以提供幫助，并且其提供的抗擾性可經(jīng)受dv/dt狀況再次出現(xiàn)帶來的影響,。
動態(tài)開關(guān)期間,，MOSFET寄生電容的突變會導(dǎo)致柵極振蕩，而增加?xùn)艠O電壓,。這會影響到長期的可靠性,。
柵極ESR非常重要，因?yàn)楦逧SR會增加關(guān)斷損耗,，尤其是在ZVS拓?fù)渲小?/p>
針對這一應(yīng)用,，推薦使用UniFET、UniFET II,、常規(guī)SuperFET和SupreMOS MOSFET,。FCH76N60N是市場上采用TO-247封裝、具有最低RDS（ON）的超級結(jié)MOSFET之一,。通過SupreMOS技術(shù),，設(shè)計(jì)工程師可以提高效率和功率密度。FCP190N60是最新加入到SuperFET II系列MOSFET的產(chǎn)品,。相比SuperFET I MOSFET,，RSP改善了1/3，使之成為離線AC-DC應(yīng)用的理想選擇,。
次級側(cè)同步整流：同步整流也被稱為“有源”整流,，它采用MOSFET替代二極管。同步整流用于提升整流效率,。通常,，二極管的壓降會在0.7V至1.5V之間變化，而在二極管中產(chǎn)生較高功率損耗,。在低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中,，該壓降非常顯著，將導(dǎo)致效率下降,。有時會使用肖特基整流器來代替硅二極管,，但由于電壓升高,，其正向壓降也將增加,。在低壓轉(zhuǎn)換器中，肖特基整流無法提供足夠的效率,，因而這些應(yīng)用需要同步整流,。
現(xiàn)代MOSFET的RSP已經(jīng)顯著減小，并且MOSFET的動態(tài)參數(shù)也已得到優(yōu)化。當(dāng)二極管被替換為這些有源受控MOSFET,，便可實(shí)現(xiàn)同步整流,。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導(dǎo)通電阻，并且可以顯著降低MOSFET的壓降,，即便是在大電流下,。相比二極管整流，這顯著地提高了效率,。同步整流不是硬開關(guān),，它在穩(wěn)態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換。在導(dǎo)通和關(guān)斷期間,，MOSFET體二極管導(dǎo)通,，使得MOSFET的壓降為負(fù)，并引起CISS增加,。由于這種軟開關(guān),，柵極恒壓（plateau）轉(zhuǎn)變?yōu)榱悖瑥亩行У販p少了柵極電荷,。
以下是對同步整流的某些主要要求：低RSP,；低動態(tài)寄生電容：這減少了柵極驅(qū)動功率，因?yàn)橥秸麟娐吠ǔ９ぷ髟诟哳l下,；低QRR和COSS減少了反向電流,，當(dāng)此拓?fù)涔ぷ髟诟唛_關(guān)頻率下會成為一個問題，在高開關(guān)頻率下,，此反向電流充當(dāng)了大漏電流,；需要低tRR、QRR和軟體二極管來避免瞬時擊穿并降低開關(guān)損耗,。導(dǎo)通為零電壓開關(guān),。在MOSFET通道關(guān)斷后，體二極管再次導(dǎo)通,，當(dāng)次級電壓反向時,，體二極管恢復(fù)，這將增加擊穿的風(fēng)險(xiǎn),?；钴S二極管可能需要在每個MOSFET上跨接一個緩沖電路；低QGD/QGS比,。
采用飛兆半導(dǎo)體PowerTrench技術(shù),，RSP、COSS,、CRSS,、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級有源整流。對于相同RDS（ON）,，PowerTrench的晶圓尺寸大約減小了30%,，RSP減少了30%，因而在同步整流中降低了傳導(dǎo)損耗,。
有源OR-ing
最簡單形式的OR-ing器件是一種二極管,。當(dāng)OR-ing二極管失效時，將通過不允許電流流入輸入電源來對其進(jìn)行保護(hù),。OR-ing二極管允許電流僅以一個方向流動,。它們用于隔離冗余電源，因而一個電源的失效不會影響整個系統(tǒng),。消除單點(diǎn)失效,，允許系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來保持運(yùn)行。然而,，實(shí)現(xiàn)這種隔離卻有難題,。一旦該OR-ing二極管插入到電流路徑中，則會產(chǎn)生額外的功率損耗和效率降低,。該功率損耗會導(dǎo)致OR-ing二極管發(fā)熱,，因而需要增加散熱器，降低系統(tǒng)的功率密度,。當(dāng)二極管關(guān)斷時,，其反向恢復(fù)會成為一個問題——該二極管必須具有軟開關(guān)特性。為克服其中的一些問題,，已使用了肖特基二極管,。這些二極管和p-n二極管之間的一個重要差異，就是減小的正向壓降和可忽略的反向恢復(fù),。普通硅二極管的壓降介于0.7至1.7V之間,；肖特基二極管的正向電壓降在0.2至0.55V之間。雖然肖特基二極管在用作OR-ing二極管時,，系統(tǒng)的傳導(dǎo)損耗降低,，但肖特基二極管卻具有較大漏電流——這將帶來傳導(dǎo)損耗。該損耗低于硅二極管,。
這個問題的替代解決方案是使用功率MOSFET替代肖特基二極管,。這引入了額外的MOSFET柵極驅(qū)動器，增加了復(fù)雜性,。MOSFET的RDSON必須非常小,，從而該MOSFET的壓降比肖特基二極管的正向壓降低很多，這可稱為有源OR-ing?，F(xiàn)代低壓MOSFET的RDSON非常低——即便采用TO-220或D2PAK封裝,，它也可以低至幾毫歐。飛兆半導(dǎo)體采用PQFN56封裝的FDS7650,，對于30V MOSFET可以小到低于1毫歐,。當(dāng)OR-ing MOSFET導(dǎo)通時，它允許電流以任一方向流動,。在失效情況下,，冗余電源將產(chǎn)生大電流，因而OR-ing MOSFET必須快速關(guān)斷,。飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench技術(shù)MOSFET也適用于這種應(yīng)用,。