结构小巧绿色环保的OptiMOS 3 MOSFET可达到更高的效率

电源

作为开关模式电源的核心器件，MOSFET在对电源的优化中承担着十分重要的角色。采用最先进的半导体技术对提高工作效率固然必不可少，但封装技术本身对提高效率也具有惊人的效果。
效率和功率密度是现代功率转换和电源管理系统最为关注的两个方面。为满足这方面的要求，功率MOSFET发展的趋势是生产具有极低通态电阻同时具有低电容的器件，以尽可能降低传导损失和开关损失。但是，仅仅依靠半导体技术的提高还不足以满足上述要求，还需要类似SuperSO8这样的现代功率封装技术。该封装技术具有低寄生电阻、低电感、有效热耦合和设计紧凑等特点。

MOSFET——所有开关模式转换器的核心元件
MOSFET是开关模式转换器的关键元件，其在电压供应单元原边实现的功能是将直流（DC）链路电压进行有源调制，产生接近矩形的交流（AC）电压。但在次边，MOSFET被用作整流器进行同步整流，将交流电压转换回直流电压。
为满足更加严苛的效率要求，为特定应用找到最合适的MOSFET并将其优化以实现低损失操作就变得日益重要。与此有关的主要参数包括漏极-源极通态电阻（RDS(on)）、MOSFET电容（COSS，Cg）和半导体的封装型式。尽管现代技术可以实现极低电阻的开关，但仅对通态电阻进行优化是不够的，还需要对开关频率、开关电流和要求的电压等级进行精确的分析。因此，有效提高效率的关键，在于研究有源半导体器件和无源器件之间的交互作用，而非将MOSFET作为单个器件进行孤立的分析。

封装—提高效率的关键因素
导致对应用及MOSFET要求越来越严格的因素有两个：系统的小型化及效率的提高。为了在应用设计中对这两个方面进行处理，需要寻找到新的方法。而在现有概念框架下进行挖掘，并不总能取得期望的效果。因此，可能需要开发一种全新的系统设计。
一种方法是以创新的SuperSO8封装代替原来的标准TO-220封装。仅封装尺寸本身就可说明，以SuperSO8代替TO-220具有节省空间的潜在优势，从而提高整个系统的功率密度。同时，SuperSO8适合严苛的效率要求。对用于服务器的标准开关模式电源，仅仅将封装型式由TO-220变为SuperSO8，就可以将效率提高0.4%。这种消耗的降低，来源于更低的封装电阻和低至约1nH的极低封装电感。
对应于40V、60V和80V的电压等级，OptiMOS 3的漏极-源极通态电阻RDS(on)分别为1.8mΩ、2.8mΩ和4.7mΩ。相对于SuperSO8的尺寸而言，这种低阻值达到了一个全新的标准。与性能最接近的竞争产品相比，通态电阻下降了50%（图1）。这些器件的FOM（优值系数，通态电阻乘以栅电荷）比采用TO-220封装的同类芯片高出25%，从而允许更高的开关速度，尽可能减小开关和驱动器损耗，达到更高的功率密度和更低的驱动器负载。
至电路板的1˚K/W热电阻、采用热沉实现有效的双边冷却的能力以及最高达100A的电流处理能力等特性，使该系列产品在40至80V电压等级的低电阻MOSFET应用方面树立了全新的标准。
OptiMOS 3产品用于要求高效率和高功率密度的功率转换和电源管理系统，应用范围广泛，从开关模式电源（SMPS）和用于计算机的DC/DC转换器、家用电器、小型电动车和电讯设备，直至充电式改锥和风扇等小型电气设备。

通过封装的选择来优化产品的性能

封装的寄生特性，特别是封装电阻和源电感，对产品性能具有重要影响。由于其紧凑的设计及芯片源电极与引脚架之间采用的夹片连接，SuperSO8封装具有很低的封装电阻，达到约0.3至0.6 mΩ（包括芯片金属化），而TO-220的封装电阻则达到约0.8至1.2mΩ。图2以实例说明，对于40V产品类别中的最佳指标，SuperSO8封装的封装电阻占总电阻的17%，而TO-220封装却占到50%。对于同样的芯片表面面积，由于其封装电阻更低，SuperSO8封装可以实现更低的通态电阻。
源电感的降低，改善了栅-源驱动途径。SuperSO8封装具有极低的源电感，仅为1nH，而根据引脚长度的不同，TO-220封装的源电感却高达1至12nH。

同步整流的功率损耗降低百分之八

同步整流是对处于电气隔离状态的开关模式功率转换器的次边变压器的矩形输出电压信号所进行的整流。为实现更高的效率，以MOSFET取代传统的二极管进行同步整流。二极管的高消耗源自整流器二极管约0.6V的前向导通电压与高达100A以上的极高次边输出电流的共同作用。为处理所引起的功率损耗，必须使用大量并联的二极管，而这又要求使用大型热沉，以散去所产生的热量。这些意味着系统的低效率和低功率密度。以MOSFET取代二极管，可以弥补上述不足。
SuperSO8与TO-220封装型式的效率比较请参见图3。仅仅采用SuperSO8封装代替TO-220封装，就可以将效率提高0.4%，相对于功率损耗降低8%。导致这种效率提高的主要原因是更低的封装电阻，仅为约1 mΩ。在采用TO-220封装时，如果要在满载时达到同样的效率，就必须采用低RDS(on)，而这意味着较高的电容，从而使轻载时的效率较低。SuperSO8封装的另一个重要优势是不存在封装电感，而考虑到该应用条件下高达800A/μs的典型电流斜率，封装电感可能会影响门驱动信号。通过源管脚因电感效应而耦合进来的电压可能会在MOSFET关断过程中抬高门极电压，导致动态重复导通-关断的风险，从而提高消耗，降低效率。采用SuperSO8封装时，由于不存在引脚电感，可以消除这种效应。另外，封装电感还与漏极-源极电压过冲直接相关。封装电感越低，电压峰值就越低。开关式拓扑一般需要缓冲器网络，以抑制MOSFET中的电压过冲。缓冲器网络也可以被优化。缓冲器主要与MOSFET漏极-源极并联的RC组合，这种缓冲器的电容会显著增加开关损耗。采用SuperSO8封装时，电压过冲较小，因而可以降低缓冲器的电容，从而提高效率。

有效冷却

MOSFET的热性能由热电阻Rthja（节点-环境）决定。影响Rthja的主要因素包括电路板上的镀铜面积和环境条件，即空气流通和通过强制对流形成的散热。除电路板上的镀铜面积外，在管壳顶部直接安装热沉也可以增加散热面积，热沉和管壳之间以导热材料作为夹层。实测结果表明，强制对流可以将热电阻降低大约50%，从而将散热能力相应提高一倍。SuperSO8封装采用夹片连接，夹片上的塑料厚度约为150μm，这就形成了一条通向管壳顶部的低热电阻通道，从而可以通过元件的顶部进行冷却。热沉冷却的效果取决于所用热沉的大小。研究显示，热电阻可以降低30至50%（图4）。顶部冷却方式可以用于嵌入式系统或垂直插入底架的电路板，可以显著提高功率密度。

将电路板版图纳入考虑

对于通态电阻极低的产品，必须认识到存在与通态电阻处于同样数量级的版图电阻。因此在应用中必须特别注意版图。图5显示穿过MOSFET和版图的压降。本例中的铜线为35μm，导线压降与穿过MOSFET的压降处于同一个数量级，使得铜线损耗的上升至与半导体损耗相同的水平。因此，只有通过采用短或厚的导线实现低电阻连接，才能充分发挥SuperSO8封装的优势。

实现更高功率密度和效率的芯片和封装技术

只有将高性能的半导体技术与最先进的封装技术结合起来，才能满足对更高效率和更高功率密度的需求。这种结合所产生的高性能产品具有极高的效率、超紧凑的设计，并最终达到更低的系统成本。
OptiMOS是英飞凌科技股份公司的商标。

图1. 英飞凌MOSFET产品与竞争对手产品之间通态电阻的对比

图2. 40V电压等级产品中最低总电阻成分的对比。SuperSO8产品的封装电阻远低于TO-220产品。

图3. TO-220封装与SuperSO8封装产品同步整流效率的对比。测量结果基于处于电气隔离状态的输入电压和同步整流输出电压分别为400V和12V的DC/DC转换器，例如用于服务器网络设备中的转换器。

图4. 利用热沉和强制对流降低热电阻Rthja。

图5. 版图对应用性能的影响。在电流为78A时的温度分布和压降。

Wolfgang Peinhopf博士
毕业于奥地利莱奥本大学塑料技术专业。自2006年以来，他一直在位于菲拉赫的英飞凌科技奥地利有限公司工作，从事功率MOSFET的技术营销，负责功率封装和P-沟道MOSFET。
Email：Wolfgang.Peinhopf@infineon.com

Cristian Moesslacher硕士工程师
毕业于奥地利克劳恩藤应用技术大学电子学专业。自2006年以来，他一直在位于菲拉赫的英飞凌科技奥地利有限公司工作，从事功率MOSFET的技术营销，负责应用工程。
Email：Cristian.Moesslacher @infineon.com

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