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(kāi)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(shí),工作頻率是一個(gè)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(shí),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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(dòng)態(tài)性能。風(fēng)能是增長(zhǎng)最快的能源之一,一個(gè)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(guò)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(kù)和商業(yè)停車場(chǎng)的電動(dòng)汽車(EV)充電系統(tǒng)。這些EV充電系統(tǒng)將通過(guò)光伏(PV)太陽(yáng)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(duì)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(dòng)和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET,但PV太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電。大多數(shù)增長(zhǎng)開(kāi)始于住宅太陽(yáng)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(chǎng)增長(zhǎng)。
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(yáng)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(shí),并網(wǎng)逆變器才會(huì)工作。今天市場(chǎng)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(duì)PV太陽(yáng)能系統(tǒng)的市場(chǎng)需求早已存在,因?yàn)樘?yáng)能可以幫助降低高峰電力成本,能夠消除燃料成本的波動(dòng)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(guó)政府已經(jīng)設(shè)定了目標(biāo),要求國(guó)家電力的80%來(lái)自綠色能源。原因如上所述,結(jié)合美國(guó)政府的目標(biāo),PV太陽(yáng)能解決方案已經(jīng)成為一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)。這帶來(lái)了對(duì)MOSFET器件不斷增長(zhǎng)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(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用需要以犧牲RDSON為代價(jià)來(lái)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(jí)。對(duì)于單端應(yīng)用,MOSFET體二極管的恢復(fù)并不重要,但對(duì)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(jí)管恢復(fù)。在軟開(kāi)關(guān)雙端應(yīng)用中,這些要求對(duì)于可靠性極其重要。在硬開(kāi)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(lái)優(yōu)化CRSS和COSS。
MOSFET支持零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)拓?fù)洌贿^(guò)IGBT卻僅支持ZCS拓?fù)?。通常,IGBT用于大電流和低頻開(kāi)關(guān),而MOSFET則用于小電流和高頻開(kāi)關(guān)?;旌夏J?a target="_blank">仿真工具可以用來(lái)設(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(dòng)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。