重新思考功率MOSFET器件的优点

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通过其品质因数（FOM）比较MOSFET已经成为一项无处不在的行业实践。随着目前出现越来越多的评比和SOA曲线，FOM正在日益被用作MOSFET的规格（specmanship）要素。MOSFET FOM最简单、最广泛使用的定义是Rds x Qg 乘积。每个新的MOSFET产品线发布时，都会同时公布令人印象深刻的至少20％的FOM下降幅度。基于更新型宽带隙技术的设备进一步提升，声称在品质因数方面可以降低50倍甚至100倍。最终用户完全被这些夸张的数字搞得一头雾水。使用一个因数提高了50倍的开关器件到底有什么好处？它会减少50倍的损耗吗？如果您有一个功率转换器，其硅MOSFET消耗10 W，然后代之以另一个具有“50倍品质因数改进”的器件，损耗会降低到0.2 W吗？虽然损耗减少10％也很受欢迎，但相对于品质因数50倍的改善，这实在是有一种鸡肋的感觉。

FOM简史

最早提到功率MOSFET在开关应用中的品质因数是在参考文献 [1]中。它把Baliga（巴利加）高频品质因数定义为：

BHFFOM = 1 / (CIN x Rds).

CIN 后来被Qg 作为行业标准而取代，并牢固确立了一个首要的、普遍有效的FOM的观念。对该定义提出过若干修改，但简单的Rds x Qg 继续是业界最喜欢采用的公式，即使目前也是这样。原始的FOM背后的逻辑相当简单。更低的Rds 能够降低导通损耗，而更低的 Qg能够减少开关损耗。如果它们的乘积能够最小化，总损耗也就最小化了。但现实能够很好地反映这一逻辑吗？

曾经有过一次评估，其采用三个设计平台的系列，其中两个平台具有相似的Rds x Qg 乘积，而第三个平台来自于早期一代的产品，其Rds值以及FOM值都高很多。不同的设备在表I中由其FOM进行区分。该测试平台是市售的DC-DC四分之一块（quarter brick）类型，采用ZVS桥作为主拓扑，以200 kHz运行。损耗和效率结果如图1所示。 FOM 2.8倍的降低以及Rds 5.8倍的降低并没有带来任何性能方面的好处。而另一方面，比FET270稍微逊色的FET300却战胜了其他两个产品，效率提高了近1%。显然，功率MOSFET或任何其他开关器件的真实性能与它们所吹嘘的品质因数之间并不存在什么必然联系。

表 I: 具有不同品质因数的设备的参数比较

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图1. 具有不同FOM的MOSFET在以200 kHz开关时，在ZVS桥式转换器中的损耗和效率数据

仔细考察参考文献 [1] 可以揭示出对MOSFET损耗性质的一个根本性误解。它明确指出，MOSFET中的唯一开关损耗是由栅极充电和放电引起的。它还指出：这些开关损耗与开关频率的平方根成正比。V- I交叉损耗完全可以忽略不计，还有Coss或体二极管相关的损耗也微不足道。事实上，在1989年该定义首次提出时，人们尚未完全理解Coss 所带来的损耗，当时的常见做法是反向连接外部整流器，以绕过MOSFET体二极管。然而，在功率MOSFET被发明出来很早之前，感应开关机制和相关的交叉损耗就已经是众所周知的事情了。故意忽略这些已知的、主要的因素是非常令人惊讶的。不太让人惊讶的是如下事实：由此产生的FOM，其实际上与应用环境没有什么关系，却仍然被业界视为圭臬。

应用环境与器件FOM

图2显示了用于AC-DC电源的Plug to Processor（插入处理器）传动系，并列出了各种参数的典型工作范围。可以看出，每个功率级都需要不同的技术，因为工作行条件覆盖了很大的范围，通常跨越两个数量级。两个器件参数的简单乘积能够预测出哪种器件将在每一个这些应用条件下产生出最低损耗性能吗？

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图2. Plug to Processor（插入到处理器）传动系以及每个级别的运行参数范围

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参考文献[2]〜[7]多次尝试改进原始的FOM定义，把Qg 取代为 Qgd 或 Qoss，或取代为与MOSFET相关联的电容电荷的更复杂函数。然而，这些做法都无法克服FOM概念在乘积层面上所固有的局限性。关于MOSFET通用品质因数这一基本概念有两个问题，用户必须加以考虑。首先，MOSFET引起的总损耗不仅由其自身的特性决定，这些损耗还同样取决于它们与系统的匹配程度。向FOM中添加和操纵MOSFET参数的数量无法指示其在任何给定的应用表现如何。换句话说，所有的基于器件的FOM都完全无视应用环境，因此对最终用户只不过具有聊胜于无的意义。

系统设计人员不应当依赖更低的FOM作为其提高性能之道，而应当回归到损耗分析的基础原理上。当今的开关电路相当复杂，但任何应用中的MOSFET损耗仍然是以下因素带来的损耗的组合：

传导

开启和关闭时的开关损耗

输出电容充放电

二极管导通和恢复

栅极充放电

表II列出了系统规格和设计选择，并将它们与MOSFET参数相结合，得出用于估算上述不同损耗成分的简化表达式。

表II：与具体应用相关的品质因数所要求的系统、电路和MOSFET参数

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把表II中所有的损耗成分结合到一起，就可以写出如下的通用方程，用于计算对任何应用环境均有效的总损耗。我们在这里的目的不是以最高的准确度来计算具体损耗，而是要理解MOSFET参数与其工作环境之间的关系，以最大限度地减少总损耗。

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损耗在这里被表达为多个MOSFET参数的加权和，权重因子取决于表II最后一列中列出的操作条件。应该明确的是，任意取Rds 和 Qg两个数，并使乘积最小，而不考虑方程中的其他项，都不会直接提高性能。具有较低FOM的器件可能确实可以在实际中有较好表现，但这样的行为绝不可能通过他们的Rds x Qg乘积来断言或预测。

无论怎样强调都不会过分的是，应当将多个系统参数与更广泛的MOSFET属性选择相匹配，而不是单纯地比较FOM。图3显示出对600 kHz低功率升压转换器的另一项评估。从图中可以看到，即使在FOM减少1.5倍时，也出现一致的性能劣化。在50％负载情况下，采用较低FOM器件的效率下降近6％。该转换器采用较低的11V输入，并产生135 mA的52V输出。下文表III比较了两个被测试的MOSFET的相关参数。Coss造成的损耗在升压转换器中占主导地位，而且，Eoss 3倍的上升清楚地表明它在该应用场合是一项错误选择。鉴于功率较低，而且采用了高输出电压和开关频率的组合，甚至不需要进行任何详细的损耗分析。

需要指出的是，FET B本身并不是一款劣质产品。它被设计用于一种不同的应用场合，即Coss 损耗不太重要的场合。MOSFET技术已经发展到了较高水平，可以设计出高度定制的、针对具体应用场合的器件平台。如果选择FET B而不选择FET A，仅仅是因为前者具有“更好的FOM”，却丝毫不考虑系统条件，这就是一项糟糕的设计实践。MOSFET品质因数不包含Coss 和 Eoss（它们可能是高压应用场合下开关损耗的主要来源）这一事实，使其对于系统设计人员而言甚至更加无关紧要。

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图3. 具有不同FOM的MOSFET在以600 kHz开关时在升压转换器中的损耗数据

表III：升压转换器中器件参数的比较

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平台与产品

根据定义，任何FOM都是指技术平台。它可以派生出大量的产品，所有这些产品都具有完全相同的FOM。但最终用户并不需要整个平台。他们所要寻找的是一种最适合他们的应用场合的器件，这不可能依靠Rds x Qg 乘积来确定。器件设计者创建出在每个硅单元有源区具有特定Rds 和电容的几何形状。然后再把该硅片切割成不同尺寸的小块，从而创建出许多个MOSFET。品质因数的概念适用于这种几何形状，但不适用于任何具体的MOSFET。从定义来看，所有这些MOSFET都具有完全相同的Rds x Qg 乘积。这可以通过将损耗方程应用于基于FET270平台的宽范围的可能MOSFET来进一步说明。图4a显示出三个不同的功率水平和设计选择预计的损耗，它们是Rds的函数。所有绘制在x轴上的Rds值都源自于相同的 FET270几何形状，但具有不同的有源区。MOSFET电容和电荷与相同的有源区成反比例地上升或降低。换句话说，所有器件都具有相同的FOM，但在该应用场合中仍然可能具有差异极大的不同性能。

MOSFET的最佳选择范围现在缩小到寻找具有最小总损耗的Rds。但是，寻找该最小值以及适用于该应用场合的最佳器件，都需要了解诸如输出功率和开关频率等系统参数，而不是掌握器件技术或FOM。图4b利用简单的损耗分析分解了各项损耗成分，并解释了异常的效率结果。FET750具有均衡的损耗组成，其传导损耗几乎与开关损耗相同，而且匹配FET270的总损耗情况。FET300不像FET750那样均衡，但具有更好的技术，其绝对损耗更低，这使其成为三个器件中的最佳选择。再次观察图4a，可以看到，如果从FET270平台中选择具有最佳Rds = 10 mW 的器件，这将是用于该应用场合的最佳选择。还应当指出的是，在2 mW 上实现的最低Rds对于任何操作条件都不是最佳解决方案。

这里的要点是，FOM数值仅仅是一个间接的指标，它涵盖广泛的产品，但缺乏必要的洞察，无助于选择最适合具体应用场合的特定器件。而且这种洞察也无法通过运行电路仿真来获得。在规定的工作条件下，没有什么其他途径来写下该应用场合的详细损耗方程式，也无法填写正在考虑的不同MOSFET值，也无法评估它们中的哪些具有最小损耗。该方法在参考文献[8]中针对PFC电路进行了说明。

图4a. 针对使用诸如Pout和Fsw等运行参数的ZVS桥的FOM 和最佳Rds

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图4b. 针对200 W、200 kHz ZVS 桥的损耗成分均衡

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目前，大多数系统设计者都明白，“金钱可以买到最低的Rds” 绝不是他们选择MOSFET的正确标准。同时，鉴于缺乏应用重点，需要重新评估另一个经验法则：“市场上提供的具有最低FOM的器件”。MOSFET的品质因数作为设计师的一个工具，可以用于将一个设计平台与另一个设计平台进行比较。但是，绝不存在这样的事情：把某个品质因数用于特定的产品。这并非属于“FOM的定义x是否比定义y更重要”这样的问题。对于系统设计者而言，单纯的品质因数这一概念在单个器件层次上没有任何有效性，其逻辑扩展也是一样。

参考文献

[1] B. J. Baliga，“关于功率半导体器件的品质因数在高频应用场合的研究”，IEEE 电子器件通讯（Electron Device Letters），1989年，455-457页。

[2] I.J. Il-Jung Kim、S. Matsumoto、T. Sakai和 T. Yachi，“关于新型功率器件的品质因数在高频应用场合的研究，”功率半导体器件集成电路国际会议会议录, 日本横滨，1995年，309-314页。

[3] A. Q. Huang，“新型单极开关电源器件品质因数”，IEEE 电子器件通讯，第25卷，2004年，298-301页。

[4] Phil Rutter, Steven Peake, “低电压TrenchMOS与低特定RDS (on) 及 QG FOM的结合”, ISPSD 会议录，2010年，325-328页。

[5] Yuancheng Ren、Ming Xu、Jinghai Zhou和Fred C. Lee，“功率MOSFET损耗模型分析”, IEEE 功率电子产品会议录, 第21卷第2册，2006年3月，310-319页。

[6] Phil Rutter, Steven T Peake, “低电压超结合功率MOSFET：一项针对应用场合优化的技术”，IEEE 应用功率电子产品会议，2011年，491-497页。

[7] Krishna Shenai. “关于功率电子开关器件的真正品质因数，” ECS会议录，第58卷第4册，2013年， 199-210页。

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