AN V SuperFET® II MOSFET 可降低开关损耗, 确保较高的系统效率及可靠性

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1 Is Now Part of To learn more about ON Semiconductor, please visit our website at ON Semiconductor and the ON Semiconductor logo are trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC dba ON Semiconductor or its subsidiaries in the United States and/or other countries. ON Semiconductor owns the rights to a number of patents, trademarks, copyrights, trade secrets, and other intellectual property. A listing of ON Semiconductor s product/patent coverage may be accessed at ON Semiconductor reserves the right to make changes without further notice to any products herein. ON Semiconductor makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does ON Semiconductor assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. Buyer is responsible for its products and applications using ON Semiconductor products, including compliance with all laws, regulations and safety requirements or standards, regardless of any support or applications information provided by ON Semiconductor. Typical parameters which may be provided in ON Semiconductor data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including Typicals must be validated for each customer application by customer s technical experts. ON Semiconductor does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. ON Semiconductor products are not designed, intended, or authorized for use as a critical component in life support systems or any FDA Class 3 medical devices or medical devices with a same or similar classification in a foreign jurisdiction or any devices intended for implantation in the human body. Should Buyer purchase or use ON Semiconductor products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold ON Semiconductor and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that ON Semiconductor was negligent regarding the design or manufacture of the part. ON Semiconductor is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner.

2 AN V SuperFET II MOSFET 可降低开关损耗, 确保较高的系统效率及可靠性摘要 : Fairchild 800 V SuperFET II MOSFET 系列采用最新的超结技术, 实现超低传导损耗开关损耗及可靠性 ; 由于具有最低的 R DS(ON) 输出电容中的储能 (E OSS ) 以及同类最佳的可靠体二极管性能, 因此可广泛应用于照明 PC 电源适配器音响电源光伏逆变器工业三相拓扑以及辅助电源等用途凭借先进的电荷平衡技术, Fairchild Semiconductor 推出了 800 V SuperFET II MOSFET 系列, 可帮助设计人员实现出色的系统效率和热性能更具有同类最佳的可靠性, 使其成为各种应用的理想解决方案, 同时, 其广泛的封装选项为设计人员提供了极大的灵活性, 特别是对于空间受限的设计引言照明设备的电力消耗约占全球电力总量的 19%, 因此, 许多国家正在推行能源节约, 其中就包括逐步停止低效率白炽灯的销售行业报告表明,2012 年售出的白炽灯总量为超过 8 万亿只, 约占全部照明设备销售的 45% 美国中国俄罗斯及巴西已于 2014 年起禁止销售 60 W 及以下功率的白炽灯灯泡, 使住宅内照明从白炽灯向 LED 灯的转变步入正轨同时,LED 技术的进步以及产品成本的改善必将大力推动 LED 照明市场的发展表 1 表明, 相较于白炽灯,LED 照明的效率更高, 寿命更长表 1. 效率及寿命比较重要方面白炽灯 LED 照明效率 6~16 lm/w 80~160 lm/w 平均寿命 1200 小时小时 LED 照明电源系统的开发强调高效调光控制及低成本此外, 智能手机也在迅速发展, 从而支持多种功能和特性其结合了便携式通信设备的功能性以及台式电脑的能力这种情况下, 需要更多芯片和更多处理环节, 即意味着需要更高的功率级由于提供了这些额外功能, 智能手机需要较以往更高的功率传统的线性电池充电器由于自身功耗高, 已无法满足充电要求因此, 智能手机或平板电脑等便携设备电池充电器的主要设计挑战是高功率密度和高效率, 以符合表 2 [1] 中所述的能量规范要求表 2. AC-AC 及 AC-DC 外部电源主动模式下的能效标准 : 低电压型号铭牌输出功率 (P no ) 主动模式下最低平均效率 0 至 1W * P no > 1 至 49 W [0.075 * Ln (P no )] > 49 W 反激式转换器因其简易性低成本, 在低功率应用中非常常见, 例如 LED 照明电池充电器或适配器等 [2] 为了提高系统效率, 必须降低初级端的开关损耗低输出电容内储能 ;E OSS 以及 MOSFET 的低 R DS(ON) 是反激式转换器实现系统效率最大化的关键因素全新 800 V SuperFET II MOSFET 针对初级开关进行优化, 可实现更低的开关损耗及壳温, 而不会影响 EMI 性能 2016 Fairchild Semiconductor Corporation 修订版 1.0 8/22/16

800V SuperFET II MOSFET 技术 800 V MOSFET 广泛应用于照明充电器适配器光伏逆变器及工业三相拓扑等多种用途然而, 在传统平面型 MOSFET 中存在硅元素限制, 以大幅降低导通电阻在高压 MOSFET 技术中, 在降低导通电阻方面最引人注目的成就是超结技术与传统平面技术的井状结构相比, 其具有较深的 p 型柱状结构

传统与超结 MOSFET 之间的 R DS(ON) 比较 800 V SuperFET II 系列的每种封装均提供行业最低的 R DS(on) ;800 V SuperFET II MOSFET 的标准 TO-247 TO-200 及 TO-251 (IPAK) 封装提供的最低及最高的 RDS(ON) 分别为 60 mω( 最大值 ) 220 mω( 最大值 ) 和 850 mω( 最大值 )

3 800V SuperFET II MOSFET 技术 800 V MOSFET 广泛应用于照明充电器适配器光伏逆变器及工业三相拓扑等多种用途然而, 在传统平面型 MOSFET 中存在硅元素限制, 以大幅降低导通电阻在高压 MOSFET 技术中, 在降低导通电阻方面最引人注目的成就是超结技术与传统平面技术的井状结构相比, 其具有较深的 p 型柱状结构柱状结构可有效限制轻掺杂外延层中的电场得益于这种 p 型柱状结构, 超结技术在导通电阻方面打破了硅的限制, 如图 1 所示, 在 800 V 击穿电压条件下, 单位面积上的导通电阻仅为平面型号的 1/6 图 1 Fairchild 采用先进的超结技术, 使得 800 V SuperFET II 系列拥有行业最佳的 R DS(on) 和出色的品质因数, 从而在应用中提高功率密度及效率图 1. 传统与超结 MOSFET 之间的 R DS(ON) 比较 800 V SuperFET II 系列的每种封装均提供行业最低的 R DS(on) ;800 V SuperFET II MOSFET 的标准 TO-247 TO-200 及 TO-251 (IPAK) 封装提供的最低及最高的 RDS(ON) 分别为 60 mω( 最大值 ) 220 mω( 最大值 ) 和 850 mω( 最大值 ) 通过更换更小型的封装或减少并联器件数量, 其非常适合要求高功率密度且空间受限的应用图 2. 与竞争产品 800 V SJ MOSFET 在最低 RDS(ON) 方面的比较 R DS(ON) Q G 品质因数 (FOM) 通常被认为是 MOSFET 技术中最重要的一项指标近来出现了许多新型器件技术以改进 R DS(ON) Q G FOM 由于 MOSFET 是单极性器件, 寄生电容是开关瞬态的唯一限制因素若要实现更低的开关损耗, 也要降低寄生电容相较于标准 MOSFET 技术, 因为电荷平衡原理在 RDS (ON) 不变的条件下减小了芯片尺寸,800 V SuperFET II MOSFET 的电容更小若要弄清楚输出电容与开关损耗之间的对应关系, 一种方法是评估输出电容的有效值计算 MOSFET 输出电容内储能的方法是, 在导通瞬态之前对输出电容和漏源电压 ( 即从零到漏源电压之间的漏源电压 ) 乘积作积分运算图 3 (a) 明确显示, 由于漏电流从 MOSFET 沟道中转移, 向输出电容器充电, 所以在关断瞬间沟道电流 (I channel ) 明显低于漏电流 (I D ) 由于输出电容器放电产生了额外的电流, 因此在导通瞬间, MOSFET 沟道的电流明显高于漏电流 (I D ) 功率 MOSFET 在关断瞬间储存在输出电容内的能量将在导通瞬间通过 MOSFET 沟道以焦耳加热的形式耗散所存储的能量在开关周期每个导通瞬间通过 MOSFET 沟道耗散因此, 由于输出电容内储能以及 MOSFET 的 E oss 固定不变且独立于负载, 其对于逆向 / 正向变换器硬切换或功率因数校正 (PFC) 等应用十分关键 ( 特别是在轻载和高开关频率条件下 ) 对于低功率反激式转换器而言, 更低的 R DS(ON) E oss 及品质因数 (FOM) 对于 MOSFET 的初级侧而言最为重要修订版 1.0 8/22/16 2

V GS I channel I D Ichannel (a) MOSFET 沟道电流在关断瞬间由于 C OSS 充电而减小 I D I COSS 图 5 为 V DD = 600 V I SD = 11A 条件下的体二极管稳键性比较图 5 中 (b) 和 (c) 为竞争产品 MOSFET 在体二极管反向恢复期间的失效波形竞争产品 A 和 B 的失效出现在电流电平刚达到 I

系列的坚固本征体二极管的性能可在谐振变换器等应用中提供更佳可靠性 V GS I D I channel Ichannel I COSS I D (b) MOSFET 沟道电流在导通瞬间由于 C OSS 放电而增大图 3.

4 V GS I channel I D Ichannel (a) MOSFET 沟道电流在关断瞬间由于 C OSS 充电而减小 I D I COSS 图 5 为 V DD = 600 V I SD = 11A 条件下的体二极管稳键性比较图 5 中 (b) 和 (c) 为竞争产品 MOSFET 在体二极管反向恢复期间的失效波形竞争产品 A 和 B 的失效出现在电流电平刚达到 I rrm 后反向恢复电流分别为 334A/μ 和 375A/μs 时这表明峰值电流引发了寄生 BJT 如图 5 (a) 所示,800 V SuperFET II MOSFET 即使在更高的 di/dt (1261A/μs) 条件下也不会失效体二极管的坚固性与 LLC 谐振变换器中的可靠性问题相关 800 V SuperFET II 系列的坚固本征体二极管的性能可在谐振变换器等应用中提供更佳可靠性 V GS I D I channel Ichannel I COSS I D (b) MOSFET 沟道电流在导通瞬间由于 C OSS 放电而增大图 3. (a) 关断瞬间和 (b) 导通瞬间的 MOSFET 沟道电流和漏电流波形如图 4 所示, 相较于其他 800 V 同类产品,800 V SuperFET II MOSFET 在 400 V 条件下的输出电容内储能分别减少了 18% 和 38% 因此,800 V SuperFET II MOSFET 在硬开关应用中可以更低的 Eoss 提供更高的开关效率 (a) 800 V SuperFET II MOSFET 在体二极管反向恢复期间的耐受波形 (b) 竞争产品 A MOSFET 在体二极管反向恢复期间的失效波形图 4. 输出电容内储能以及 E OSS 对比修订版 1.0 8/22/16 3

中的损耗尤为重要, 因为功率 MOSFET 耗散的功率比其他器件多很多这不仅关乎效率, 还关乎热管理以及长期可靠性 MOSFET 中的功率损耗很大程度上取决于导通电阻栅极电荷电流和电压升降时间, 以及开关频率和工作温度功率 MOSFET 的损耗包括切换损耗传导损耗及门极驱动损耗图 7 为 VIN = 230 V AC P OUT = 45 W 条件下笔记本电脑适配器反激式转换器中

5 中的损耗尤为重要, 因为功率 MOSFET 耗散的功率比其他器件多很多这不仅关乎效率, 还关乎热管理以及长期可靠性 MOSFET 中的功率损耗很大程度上取决于导通电阻栅极电荷电流和电压升降时间, 以及开关频率和工作温度功率 MOSFET 的损耗包括切换损耗传导损耗及门极驱动损耗图 7 为 VIN = 230 V AC P OUT = 45 W 条件下笔记本电脑适配器反激式转换器中 MOSFET 的功率损耗分析如图 7 所示, 开关损耗最为关键由于 MOSFET 导通和关断, 其本征寄生电容会在每次开关过程中存储和耗散能量这些损耗与开关频率成正比由于 MOSFET 的实际芯片尺寸增大了, 其电容也随之增大 ; 因此, 增大 MOSFET 芯片尺寸也会增大切换损耗因此, 为了提高系统效率和功率密度, 必须降低初级侧 MOSFET 的开关损耗 (b) 竞争产品 A MOSFET 在体二极管反向恢复期间的失效波形图 5. V DD = 600 V I SD = 11 A 条件下的体二极管坚固性比较 7.74% 2.22% 应用评估结果反激式转换器功率损耗分析 90.04% Pcon[%] Pdrive[%] Psw[%] 图 6 为典型反激式转换器示例由于高 RMS 和峰值电流,MOSFET 和反激式转换器内的输出整流二极管的开关损耗及传导损耗较高, 因此效率相对较低对图 7 所示的 45 W 反激式转换器进行的功率损耗研究图 7 表明, 初级侧 MOSFET 的关键功率损耗因素为开关瞬间的开关损耗, 特别是向 MOSFET 施加漏源电压 V DS 时 VIN PWM controller 图 6. 典型反激式转换器电路提高功率密度的最常用方法是提高开关频率, 从而减小被动元件的尺寸变压器初次侧 MOSFET 和反激式转换器中的次级二极管的热耗散量最大功率 MOSFET VOUT 图 W 反激式转换器基础上的 MOSFET 功率损耗分析高效低温解决方案 45 W 反激式转换器设计用于对 800 V SuperFET II MOSFET 进行评估整流器输入电压为 230 V AC, 输出电压和电流分别设置为 15V 和 3A 800 V 400 mω SuperFET II MOSFET 与 TO-220 全封装 800 V 超结 MOSFET 竞争产品 ( 额定电压相同 ) 在功率损耗效率和壳温方面的比较, 如表 3 所示其中包括 Fairchild 800 V 400 mω SuperFET II MOSFET FCPF400N80Z 与竞争产品的关键参数对比 800 V SuperFET II 系列的优势之一是输出电容内储能的 (E OSS ) 减少 800 V SuperFET II MOSFET 的 FOM [R DS(ON) E OSS (400 V DS 条件下 )] 相较于其他 800 V 竞争产品分别降低了 27% 和 34% 此外, 得益于稳键的体二极管以及集成式齐纳二极管的 ESD 功能,800 V 400 mω SuperFET II MOSFET 可提供更佳可靠性修订版 1.0 8/22/16 4

6 表 V SuperFET II MOSFET 与竞争产品的主要参数比较 DUT 800 V SuperFET II MOSFET,FCPF400N80Z BV DSS R DS(ON) E OSS ( 最大值 ) (400 V DS 条件下 ) 齐纳保护 FOM [R DS(ON) ( 最大值 ) E OSS (400 V DS 条件下 )] 二极管恢复峰值 dv/dt 800 V 400 mω 4.0 μj 是 1.6 Ω μj 20.0 V/ns 800 V 竞争产品 A 800 V 450 mω 4.9 μj 否 2.2 Ω μj 4.0 V/ns 800 V 竞争产品 B 800 V 375 mω 6.5 μj 是 2.4 Ω μj 4.5 V/ns Total power loss [W] SuperFET II Competitor A Competitor B 低图 10 为 45 W 笔记本电脑适配器基础上 800 V SuperFET II MOSFET 与 800 V SJ MOSFET 竞争产品在相对温度性能方面的比较 800 V SuperFET II MOSFET 与竞争产品 SJ MOSFET 之间的温差分别为 4.8 和 7.1, 这表明了满载条件下 800 V SuperFET II MOSFET 出色的热性能 Vin=230Vac, Pout=45W 91.00% 90.00% 图 W 笔记本电脑适配器功率损耗 Case Temperatur [ ⁰C] Efficiency [%] 89.00% 88.00% 87.00% 86.00% 85.00% 84.00% Output Power [%] SuperFET II Competitor A Competitor B 图 W 笔记本电脑适配器中的效率与输出功率对比如图 8 所示, 在满载条件下,FCPF400N80Z 的功率损耗比竞争产品 SJ MOSFET 分别低 5% 和 13%, 这是由于前者的开关损耗较低图 9 为功率测量汇总图 9 相较于竞争产品 A 和 B SJ MOSFET, 在轻载条件下, 效率提升约 0.15% 和 0.9%, 在重载条件下, 这一数字分别为 0.19% 和 1.52% FCPF400N80Z 效率更高的主要原因是其 Eoss 更低, 因而开关损耗也随之降结论 50.0 SuperFET II Competitor A Competitor B 图 W 笔记本电脑适配器基础上的壳温比较 800 V SuperFET II MOSFET 是 Fairchild 推出的高性能 MOSFET 系列, 可提供 800 V 击穿电压对于开关应用设计人员来说, 此全新 800 V SuperFET II MOSFET 系列性能十分卓越, 因而能够帮助他们设计效率更高外形更紧凑散热性更佳性能更稳键的应用修订版 1.0 8/22/16 5

表 4. 800 V SuperFET II MOSFET 产品 PKG DPAK IPAK D2PAK TO-220 TO-220F TO-247 R DS(ON) / Q g 60 mω / 270 nc FCH060N80_F155 85 mω / 196 nc FCH085N80_F155 220 mω / 78 nc FCP220N80 FCPF220N80 290 mω / 58

2 nc FCD1300N80Z FCPF1300N80Z 2250 mω / 11 nc FCD2250N80Z FCU2250N80Z FCPF2250N80Z 3400 mω / 7.4 nc FCD3400N80Z FCU3400N80Z 4300 mω / 6.

Chung, Transient characteristics of high-voltage flyback transformer operating, Applied IEE Proceedings Electric Power Applications, Vol. 151,No. 5, pp.628-634, Sep.

7 表 V SuperFET II MOSFET 产品 PKG DPAK IPAK D2PAK TO-220 TO-220F TO-247 R DS(ON) / Q g 60 mω / 270 nc FCH060N80_F mω / 196 nc FCH085N80_F mω / 78 nc FCP220N80 FCPF220N mω / 58 nc FCB290N80 FCP290N80 FCPF290N mω / 43 nc FCP400N80Z FCPF400N80Z FCPF400N80ZL1 650 mω / 27 nc FCP650N80Z FCPF650N80Z 850 mω / 22 nc FCD850N80Z FCU850N80Z FCP850N80Z FCPF850N80Z 1300 mω / 16.2 nc FCD1300N80Z FCPF1300N80Z 2250 mω / 11 nc FCD2250N80Z FCU2250N80Z FCPF2250N80Z 3400 mω / 7.4 nc FCD3400N80Z FCU3400N80Z 4300 mω / 6.8 nc FCU4300N80Z FCPF4300N80Z 参考文献 [1] ENERGY STAR Program Requirements for Single Voltage External Ac-Dc and Ac-Ac Power Supplies (version 2.0) [2] S.-K. Chung, Transient characteristics of high-voltage flyback transformer operating, Applied IEE Proceedings Electric Power Applications, Vol. 151,No. 5, pp , Sep [3] Wonsuk Choi and Dongkook Son New Generation Super-Junction MOSFETs, SuperFET II and SuperFET II Easy Drive MOSFETs for High Efficiency and Lower Switching Noise, Fairchild Application note, AN-5232, Sept., 2013 作者 Wonsuk Choi 和 Dongkook Son, 应用工程师 PSS 小组 / 飞兆半导体免责声明飞兆半导体公司为提高产品的可靠性功能或设计, 保留对其作出变动的权利, 恕不另行通知对于本文描述的任何产品和电路在应用中所出现的问题, 飞兆半导体公司不承担任何责任 ; 不转让其专利权下的任何许可证, 也不转让其他权利生命支持政策除非飞兆半导体公司总裁书面明确批准, 否则飞兆半导体的产品未被授权用作生命支持设备或系统中的关键元件定义如下 : 1. 生命支持设备或系统是指如下的设备或系统 :(a) 用于外科植入人体, 或 (b) 支持或维持生命, 以及 (c) 即使依照标示中的使用说明进行正确操作, 但若操作失败, 仍将对使用者造成严重的伤害 2. 关键元件是指生命支持设备或系统中, 由于该器件的失效会导致整个生命支持设备或系统的失效, 或是影响其安全性及使用效果修订版 1.0 8/22/16 6

8 ON Semiconductor and are trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC dba ON Semiconductor or its subsidiaries in the United States and/or other countries. ON Semiconductor owns the rights to a number of patents, trademarks, copyrights, trade secrets, and other intellectual property. A listing of ON Semiconductor s product/patent coverage may be accessed at Marking.pdf. ON Semiconductor reserves the right to make changes without further notice to any products herein. ON Semiconductor makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does ON Semiconductor assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. Buyer is responsible for its products and applications using ON Semiconductor products, including compliance with all laws, regulations and safety requirements or standards, regardless of any support or applications information provided by ON Semiconductor. Typical parameters which may be provided in ON Semiconductor data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including Typicals must be validated for each customer application by customer s technical experts. ON Semiconductor does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. ON Semiconductor products are not designed, intended, or authorized for use as a critical component in life support systems or any FDA Class 3 medical devices or medical devices with a same or similar classification in a foreign jurisdiction or any devices intended for implantation in the human body. Should Buyer purchase or use ON Semiconductor products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold ON Semiconductor and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that ON Semiconductor was negligent regarding the design or manufacture of the part. ON Semiconductor is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner. PUBLICATION ORDERING INFORMATION LITERATURE FULFILLMENT: Literature Distribution Center for ON Semiconductor E. 32nd Pkwy, Aurora, Colorado USA Phone: or Toll Free USA/Canada Fax: or Toll Free USA/Canada orderlit@onsemi.com Semiconductor Components Industries, LLC N. American Technical Support: Toll Free USA/Canada Europe, Middle East and Africa Technical Support: Phone: Japan Customer Focus Center Phone: ON Semiconductor Website: Order Literature: For additional information, please contact your local Sales Representative

T stg -40 to 125 C V cc 3.8V V dc RH 0 to 100 %RH T a -40 to +125 C -0.3 to 3.6V V -0.3 to VDD+0.3 V -10 to +10 ma = 25 = 3V) VDD

1/16 T stg -40 to 125 C V cc 3.8V V dc RH 0 to 100 %RH T a -40 to +125 C -0.3 to 3.6V V -0.3 to VDD+0.3 V -10 to +10 ma (@T = 25 C, @Vdd = 3V) VDD 1.8 3.0 3.6 V (1) 0.08 0.3 µa Idd 300 450 500 µa 0.25