U-MOS X-H系列150V MOSFET——高效率开关电源的理想选择

东芝电子元件及存储装置株式会社推出采用U-MOS X-H工艺的150V功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）系列产品，将显著改善通信基站电源和数据中心服务器电源等高效开关电源的导通电阻和电荷特性。该系列产品有助于提高效率，实现小型化并降低电源成本，从而创造更高价值。

150V MOSFET的应用扩展

150V MOSFET的应用扩展

随着需要高速通信的大容量内容持续增多，如视频流，满足高速通信的5G（第五代移动通信系统）服务已经推出。因此，需要高效率电源的通信基站和数据中心服务器也越来越多。
在基站应用中，AC－DC转换器将商用交流电压转换为直流48V通信电源通用电压，然后，DC－DC转换器将直流48V电压转换为高频放大器或系统控制所需相应电压。
48V电源在容量不断增加的数据中心服务器中日益流行，用以减少电压总线功耗。
高性能MOSFET对于通信基站和数据中心服务器高效率开关电源必不可少，并且在提高设备性能方面也变得日益重要。

U-MOS X-H系列150V MOSFET特性

  • 优化器件结构，采用精密工艺技术使导通电阻和电荷特性之间的平衡得到改善
  • 内置高速二极管 (HSD) 采用寿命控制技术降低反向恢复损耗和尖峰电压
  • 高额定结温（Tch＝175°C）保证高温下连续工作
  • 应用说明、参考设计等有助于高效设计的实用参考内容

为了提高电源效率，必须降低开关器件导通时的导通损耗，以及器件开通／关断过程中的开关损耗。采用MOSFET，可以改进某些特性，例如导通电阻（RDS(ON)）、栅极开关电荷（Qsw）、输出电荷（Qoss）和反向恢复电荷（Qrr）。
通常，细化单元间距可以改进RDS(ON)值，但仅细化单元间距，Qg、Qoss和Qrr值会变得更大。因此，需要降低以下FOM（品质因数），即导通电阻与栅极开关电荷乘积（RDS(ON)・Qsw）、导通电阻与输出电荷乘积（RDS(ON)・Qoss），及导通电阻与反向恢复电荷乘积（RDS(ON)・Qrr）。
为了同时降低导通损耗和开关损耗，U-MOSX-H系列150V MOSFET通过优化器件结构，采用基于传统一代器件结构的精密工艺技术，RDS(ON)降低38 %，Ron・Qsw降低12%，Ron・Qrr降低57%*。
（*标准（STD）产品情况下，与传统一代U-MOSVIII-H器件相比）
产品线中还增加了内置高速二极管（HSD）的产品，采用寿命控制技术降低反向恢复损耗和尖峰电压。此外，与STD型产品相比，HSD型产品Ron・Qrr 降低了74 %。
U-MOS X-H产品还支持高达175°C的工作温度。（传统一代U-MOSVIII-H产品工作温度最高150°C）
上述优异特性有助于提高效率，实现小型化并降低电源成本，从而创造更高价值。

导通电阻（ RDS(ON)）

U-MOS X-H 系列150V MOSFET采用先进的精细间距工艺技术，与传统U-MOSVIII-H系列150V MOSFET相比导通电阻降低38%。这降低了导通损耗，提高效率，减少并联器件数量，减小贴片面积降低成本，并减小电源尺寸。

与传统一代相比， R<sub>DS(ON)</sub>降低
与传统一代相比， RDS(ON)降低

输出电荷（Qoss）

在开关电路中，输出电容（Coss）每次关断时充电，充电电荷（Qoss）变成无用的功率损耗。这会产生一部分开关损耗。在器件导通电阻相同的情况下，与U-MOSVIII-H系列150V MOSFET相比，U-MOS X-H系列150V MOSFET的Qoss降低20%。

与具有相同导通电阻器的传统产品相比，Q<sub>oss</sub>降低
与具有相同导通电阻器的传统产品相比，Qoss降低

反向恢复电荷（Qrr）

在同步整流电路中，内置二极管偏置方向从电流正向流过内置二极管的状态急剧逆转。此时，n型半导体中累积的载流子（空穴和电子）放电或复合期间（trr：反向恢复时间），反向电流（IDR）继续流过内置二极管。这种反向恢复电荷（Qrr）产生的损耗称为反向恢复损耗。

偏置反向过程中空穴和电子的行为
偏置反向过程中空穴和电子的行为

在器件导通电阻相同的情况下，U-MOS X-H系列150 V MOSFET的Qrr 比传统U-MOSVIII-H系列150 V MOSFET低57%。然而，如果在需要低导通电阻特性的应用中，使用更低导通电阻器件或多个器件并联使用，Qrr 产生的反向恢复损耗在总功耗中所占比例将大于导通损耗在总功耗中的占比。另外，我们还推出高速二极管（HSD）型产品，利用载流子陷阱通过复合载流子减小载流子迁移率，以进一步降低Qrr。不采用这种工艺的产品为标准产品（STD），下图显示HSD和STD之间反向恢复行为的差异。在器件导通电阻相同的情况下，U-MOSX-H系列HSD产品的Qrr值比U-MOSX-H系列STD产品低74%，与U-MOSVIII-H系列产品相比降低89%。

STD产品和HSD产品之间偏置反向时的行为差异
STD产品和HSD产品之间偏置反向时的行为差异
器件导通电阻相同情况下，不同产品代或不同工艺的Q<sub>rr</sub>值比较
器件导通电阻相同情况下，不同产品代或不同工艺的Qrr值比较

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采用MOSFET的3相多电平逆变器
1kW全桥DC-DC转换器  

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