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,，工作頻率是一個重要因素,。相比同等MOSFET，IGBT具有較低的箝位能力,。在IGBT和MOSFET之間選擇時,，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)計替代性能源電力系統(tǒng),、UPS、開關(guān)電源（SMPS）和其他工業(yè)系統(tǒng)的工程師正不斷設(shè)法改進這些系統(tǒng)的輕載和滿載效率,、功率密度,、可靠性和動態(tài)性能。風(fēng)能是增長最快的能源之一,，一個應(yīng)用實例就是風(fēng)力機葉片控制,，其中使用了大量的MOSFET器件。通過迎合不同的應(yīng)用需求,，特定應(yīng)用的MOSFET可以幫助實現(xiàn)這些改進,。
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和商業(yè)停車場的電動汽車（EV）充電系統(tǒng),。這些EV充電系統(tǒng)將通過光伏（PV）太陽能系統(tǒng)和公用電網(wǎng)運行,。壁掛式EV充電站必須實現(xiàn)快速充電。對于通信電源而言,，PV電池充電站也將變得重要,。
三相電機驅(qū)動和UPS逆變器需要相同類型的MOSFET，但PV太陽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太陽能發(fā)電,。大多數(shù)增長開始于住宅太陽能項目,，但較大的商業(yè)項目正在出現(xiàn)：諸如多晶硅價格從2007年400美元/千克跌落至2009年70美元/千克等事件，都促進了巨大的市場增長,。
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)力機組或PV太陽能電池板,。該逆變器也被稱為同步逆變器,。僅當(dāng)連接至電網(wǎng)時，并網(wǎng)逆變器才會工作,。今天市場上的逆變器采用了不同的拓?fù)湓O(shè)計,，取決于設(shè)計的權(quán)衡要求。獨立式逆變器采用不同設(shè)計,，以按照整,、滯后或超前功率因數(shù)供電。
對PV太陽能系統(tǒng)的市場需求早已存在,，因為太陽能可以幫助降低高峰電力成本,，能夠消除燃料成本的波動性，可為公用電網(wǎng)提供更多的電力，還可作為“綠色”能源進行推廣,。
美國政府已經(jīng)設(shè)定了目標(biāo),，要求國家電力的80%來自綠色能源。原因如上所述,，結(jié)合美國政府的目標(biāo),，PV太陽能解決方案已經(jīng)成為一個不斷增長的市場。這帶來了對MOSFET器件不斷增長的需求,。如果優(yōu)化不同拓?fù)涞腗OSFET器件,，終端產(chǎn)品的解決方案可實現(xiàn)顯著的效率提升。
高開關(guān)頻率應(yīng)用需要以犧牲RDSON為代價來降低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,。對于單端應(yīng)用，MOSFET體二極管的恢復(fù)并不重要,，但對于雙端應(yīng)用卻非常重要，因為它們需要低tRR,、QRR和更軟的體二級管恢復(fù),。在軟開關(guān)雙端應(yīng)用中，這些要求對于可靠性極其重要,。在硬開關(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來優(yōu)化CRSS和COSS。
MOSFET支持零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）拓?fù)?，不過IGBT卻僅支持ZCS拓?fù)?。通常，IGBT用于大電流和低頻開關(guān),，而MOSFET則用于小電流和高頻開關(guān),。混合模式仿真工具可以用來設(shè)計特定應(yīng)用的MOSFET,。在硅和溝槽技術(shù)方面的進展降低了導(dǎo)通電阻（RDSON）和其他動態(tài)寄生電容,，并改進了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,。
逆變器系統(tǒng)
DC-AC逆變器廣泛用于電機驅(qū)動,、UPS和綠色能源系統(tǒng)。通常,，高電壓和大功率的系統(tǒng)使用IGBT,，但對于低壓、中壓和高壓（12V至400V輸入直流總線）而言，通常使用MOSFET,。在用于太陽能逆變器,、UPS逆變器和電機驅(qū)動逆變器的高頻DC-AC逆變器中，MOSFET已獲得普及,。在直流總線電壓大于400V的某些應(yīng)用中,，高壓MOSFET被用于小功率應(yīng)用。MOSFET具有一個固有的開關(guān)性能很差的體二極管,，該二極管通常會在逆變器橋臂的互補MOSFET中帶來高開通損耗,。在單開關(guān)或單端應(yīng)用（例如PFC、正激或反激轉(zhuǎn)換器）中,，體二極管并未正向偏置,，因而可以忽略它的存在。低載頻逆變器承受著附加輸出濾波器的尺寸,、重量和成本的負(fù)擔(dān),；高載頻逆變器的優(yōu)勢則是更小、更低成本的低通濾波器設(shè)計,。MOSFET是這些逆變器應(yīng)用的理想之選,，因為它們可以工作在較高的開關(guān)頻率下。這能減少射頻干擾（RFI）,，因為開關(guān)頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內(nèi)部流動,，從而消除了向外流動。
針對逆變器應(yīng)用的MOSFET的要求包括：
特定的導(dǎo)通電阻（RSP）應(yīng)該較小,，來減少導(dǎo)通損耗,。器件到器件的RDSON變化應(yīng)該較小，這有兩個目的：在逆變器輸出端的DC分量較少,，且該RDSON可以用于電流檢測來控制異常狀況（主要在低壓逆變器中）,；對于相同的RDSON，低RSP可以減少晶圓尺寸,，從而降低成本,。
當(dāng)晶圓尺寸減小時，可以使用非箝位感應(yīng)開關(guān)（UIS）,。應(yīng)該采用良好的UIS來設(shè)計MOSFET單元結(jié)構(gòu),，且不能有太多的讓步。通常,，對于相同的晶圓尺寸,，相比平面MOSFET，現(xiàn)代溝槽MOSFET具有良好的UIS,。薄晶圓減小了熱阻（RthJC）,，在這種情況下,，較低的品質(zhì)因數(shù)（FOM）可以表示為RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作區(qū)（SOA）和較低的跨導(dǎo),。
會有少量柵漏電容（CGD）（米勒電荷）,，但CGD/CGS比必須低。適度高的CGD可以幫助減少EMI,。極低的CGD增加了dv/dt,，并因此增加了EMI。低CGD/CGS比降低了擊穿的可能性,。這些逆變器不在高頻下工作,，因而允許柵極ESR有少許增加。因為這些逆變器工作在中等頻率上,，所以可以允許有稍高的CGD和CGS,。
即使在該應(yīng)用中工作頻率已較低，但降低COSS有助于減少開關(guān)損耗,。同時也允許稍微增大COSS,。
開關(guān)期間的COSS和CGD突變會引起柵極振蕩和較高過沖，長時間后將有可能損壞柵極,。這種情況下,，高源漏dv/dt會成為問題。
高柵極閾值電壓（VTH）可以實現(xiàn)更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯(lián),。VTH應(yīng)該超過3V。
體二極管恢復(fù)：需要具有低反向恢復(fù)電荷（QRR）和低反向恢復(fù)時間（tRR）的更軟,、更快的體二級管,。同時，軟度因子S（Tb/Ta）應(yīng)大于1,。這將減小體二極管恢復(fù)dv/dt及逆變器直通的可能性,。活躍的體二極管會引起擊穿和高壓尖峰問題,。
在某些情況下,，需要高（IDM）脈沖漏極電流能力來提供高（ISC）短路電流抗擾度、高輸出濾波器充電電流和高電機起動電流,。
通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷,、dv/dt和di/dt，可控制EMI,。
通過在晶圓上使用更多的絲焊來減少共源電感,。
在快速體二極管MOSFET中，體二極管的電荷生命周期縮短,，因而使得tRR和QRR減小,，這導(dǎo)致帶體二極管的MOSFET與外延二極管相似。該特性使得該MOSFET成為針對各種不同應(yīng)用的高頻逆變器（包括太陽能逆變器）的極佳選擇。至于逆變器橋臂,，二極管由于無功電流而被迫正向?qū)?，這使得它的特性更為重要。常規(guī)MOSFET體二極管通常具有長反向恢復(fù)時間和高QRR,。如果在負(fù)載電流從二極管向逆變器橋臂的互補MOSFET轉(zhuǎn)換的過程中,，體二極管被迫正向?qū)耍敲丛趖RR的整個時間段,，電源將被抽走很大的電流,。這增加了MOSFET中的功率耗散，且降低了效率,。而效率是非常重要的,，尤其是對于太陽能逆變器而言。
活躍體二極管還會引入瞬時直通狀況,，例如,，當(dāng)其在高dv/dt下恢復(fù)，米勒電容中的位移電流能夠?qū)艠O充電到VTH以上,，同時互補MOSFET會試圖導(dǎo)通,。這可能引起總線電壓的瞬時短路，增加功率耗散并導(dǎo)致MOSFET失效,。為避免此現(xiàn)象,，可連接外部的SiC或常規(guī)硅二極管與MOSFET反向并聯(lián)。因為MOSFET體二極管的正向電壓較低,，肖特基二極管必須與MOSFET串聯(lián)連接,。另外，還必須在MOSFET與肖特基二極管組合的兩端跨接反并聯(lián)SiC,。當(dāng)MOSFET反偏時,，外部SiC二極管導(dǎo)通，并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導(dǎo)通,。這種方案在太陽能逆變器中已經(jīng)變得非常普及,，可以提高效率，但卻增加了成本,。
飛兆半導(dǎo)體采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術(shù)功率器件,，適合以上所列應(yīng)用。與UniFET MOSFET相比,，由于RSP減小,，UniFET II器件的晶圓尺寸也減小，這有助于改進體二極管恢復(fù)特性,。這種器件目前有兩個版本：具有較好體二極管的F型FRFET器件,，和具有市場上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET,。Ultra FRFET型可以省去逆變器橋臂中的SiC和肖特基二極管，同時達到相同的效率并降低成本,。在這種情況下,，QRR已經(jīng)從3100nC減少到260nC，并且二極管開關(guān)損耗也顯著降低,。
導(dǎo)通傳播延遲,、電流和電壓振鈴被減小，串聯(lián)肖特基二極管的傳導(dǎo)損耗也被消除,。相比UniFET MOSFET,，UniFET II器件還具有較低的COSS，因而開關(guān)損耗被減小,。
電池供電離線UPS逆變器
在中壓應(yīng)用中,，飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench MOSFET技術(shù)是針對此類逆變器的不錯的解決方案。
相比于相同MOSFET,，其開通損耗也降低了約20%,，如圖5所示。該體二極管具有較低的tRR和QRR,。根據(jù)表1,，低QGD/QGS比提高了逆變器的可靠性。這種MOSFET技術(shù)支持離線UPS逆變器,。
開關(guān)電源市場
通過結(jié)合改進的電源電路拓?fù)浜透拍钆c改進的低損耗功率器件,，開關(guān)電源行業(yè)在提高功率密度、效率和可靠性方面,，正在經(jīng)歷革命性的發(fā)展,。移相-脈寬調(diào)制-零電壓開關(guān)-全橋（PS-PWM-FB-ZVS）和LLC諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)淅肍RFET MOSFET作為功率開關(guān)實現(xiàn)了這些目標(biāo)。LLC諧振轉(zhuǎn)換器通常用于較低功率應(yīng)用,，而PS-PWM-FB-ZVS則用于較高功率應(yīng)用,。這些拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)勢：減少了開關(guān)損耗,；減少了EMI,；相比準(zhǔn)諧振拓?fù)錅p少了MOSFET應(yīng)力；由于增加了開關(guān)頻率,，提高了功率密度,，因而減小了散熱器尺寸和變壓器尺寸。
用于移相全橋PWM-ZVS轉(zhuǎn)換器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的MOSFET要求包括：具有較低tRR和QRR以及最佳軟度的快速軟恢復(fù)體二極管MOSFET,，這能提高dv/dt和di/dt抗擾性,，降低二極管電壓尖峰，并增加可靠性,；低QGD和QGD對QGS之比：在輕載下,，將出現(xiàn)硬開關(guān),，并且高CGD*dv/dt會引起擊穿；在關(guān)斷和導(dǎo)通期間,，柵極內(nèi)部較低的分布ESR對ZVS關(guān)斷和不均勻電流分布有益,；輕載下，低COSS可擴展ZVS開關(guān),，此時 ZVS開關(guān)變?yōu)橛查_關(guān),，低COSS將減少硬開關(guān)損耗；該拓?fù)涔ぷ髟诟哳l下,，需要優(yōu)化的低CISS MOSFET,。
以上應(yīng)用推薦使用FRFET、UniFET II和SupreMOS MOSFET,。常規(guī)MOSFET體二極管會引起失效,。例如SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET（FCH47N60NF）就適用于此拓?fù)洌驗閠RR和QRR已有改進,。另外,，會引起失效的活躍二極管也已改進。
離線式AC/DC
通常,，AC電源經(jīng)整流輸入大電容濾波器,，且從該電源抽取的電流為大振幅窄脈沖，該級形成了SMPS的前端,。大振幅電流脈沖將產(chǎn)生諧波,，而引起對其它設(shè)備的嚴(yán)重干擾，并減少可以獲得的最大功率,。失真的線路電壓將引起電容器過熱,、電介質(zhì)應(yīng)力和絕緣過壓；失真的線路電流將增加配電損耗,，并減少可用功率,。利用功率因數(shù)校正，可以確保符合管理規(guī)范,，減少因上述應(yīng)力而導(dǎo)致的器件失效,，并通過增加從電源獲得的最大功率，改進器件效率,。
功率因數(shù)校正是一種使輸入盡可能變成純阻性的方法,。與典型的SMPS只有0.6到0.7的功率因數(shù)值相比，這非常令人滿意,，因為電阻具有整功率因數(shù),。這使得配電系統(tǒng)能夠以最高效率運行。
功率因數(shù)控制升壓開關(guān)的要求包括：
低QGD×RSP品質(zhì)因數(shù),。QGD和CGD會影響開關(guān)速率,，低CGD和QGD會減少開關(guān)損耗,，低RSP會減少傳導(dǎo)損耗。
對于硬開關(guān)和ZVS開關(guān),，低COSS將減少關(guān)斷損耗,。
低CISS將減少柵極驅(qū)動功率，因為PFC通常工作在100KHz以上的某個頻率,。
高dv/dt抗擾能力以實現(xiàn)可靠運行,。
如果需要MOSFET并聯(lián)，高柵極閾值電壓（VTHGS）（3~5V）可以提供幫助,，并且其提供的抗擾性可經(jīng)受dv/dt狀況再次出現(xiàn)帶來的影響,。
動態(tài)開關(guān)期間，MOSFET寄生電容的突變會導(dǎo)致柵極振蕩,，而增加?xùn)艠O電壓,。這會影響到長期的可靠性。
柵極ESR非常重要,，因為高ESR會增加關(guān)斷損耗,，尤其是在ZVS拓?fù)渲小?/p>
針對這一應(yīng)用，推薦使用UniFET,、UniFET II,、常規(guī)SuperFET和SupreMOS MOSFET。FCH76N60N是市場上采用TO-247封裝,、具有最低RDS（ON）的超級結(jié)MOSFET之一,。通過SupreMOS技術(shù)，設(shè)計工程師可以提高效率和功率密度,。FCP190N60是最新加入到SuperFET II系列MOSFET的產(chǎn)品,。相比SuperFET I MOSFET，RSP改善了1/3,，使之成為離線AC-DC應(yīng)用的理想選擇,。
次級側(cè)同步整流：同步整流也被稱為“有源”整流，它采用MOSFET替代二極管,。同步整流用于提升整流效率,。通常，二極管的壓降會在0.7V至1.5V之間變化,，而在二極管中產(chǎn)生較高功率損耗,。在低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中,，該壓降非常顯著,，將導(dǎo)致效率下降。有時會使用肖特基整流器來代替硅二極管,，但由于電壓升高,，其正向壓降也將增加,。在低壓轉(zhuǎn)換器中，肖特基整流無法提供足夠的效率,，因而這些應(yīng)用需要同步整流,。
現(xiàn)代MOSFET的RSP已經(jīng)顯著減小，并且MOSFET的動態(tài)參數(shù)也已得到優(yōu)化,。當(dāng)二極管被替換為這些有源受控MOSFET,，便可實現(xiàn)同步整流。如今的MOSFET能夠僅有幾毫歐的導(dǎo)通電阻,，并且可以顯著降低MOSFET的壓降,，即便是在大電流下。相比二極管整流,，這顯著地提高了效率,。同步整流不是硬開關(guān)，它在穩(wěn)態(tài)下具有零電壓轉(zhuǎn)換,。在導(dǎo)通和關(guān)斷期間,，MOSFET體二極管導(dǎo)通，使得MOSFET的壓降為負(fù),，并引起CISS增加,。由于這種軟開關(guān)，柵極恒壓（plateau）轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，從而有效地減少了柵極電荷,。
以下是對同步整流的某些主要要求：低RSP；低動態(tài)寄生電容：這減少了柵極驅(qū)動功率,，因為同步整流電路通常工作在高頻下,；低QRR和COSS減少了反向電流，當(dāng)此拓?fù)涔ぷ髟诟唛_關(guān)頻率下會成為一個問題,，在高開關(guān)頻率下,，此反向電流充當(dāng)了大漏電流；需要低tRR,、QRR和軟體二極管來避免瞬時擊穿并降低開關(guān)損耗,。導(dǎo)通為零電壓開關(guān)。在MOSFET通道關(guān)斷后,，體二極管再次導(dǎo)通,，當(dāng)次級電壓反向時，體二極管恢復(fù),，這將增加擊穿的風(fēng)險,。活躍二極管可能需要在每個MOSFET上跨接一個緩沖電路,；低QGD/QGS比,。
采用飛兆半導(dǎo)體PowerTrench技術(shù),，RSP、COSS,、CRSS,、和QGD/QGS比均得以降低。PowerTrench MOSFET推薦用于次級有源整流,。對于相同RDS（ON）,，PowerTrench的晶圓尺寸大約減小了30%，RSP減少了30%,，因而在同步整流中降低了傳導(dǎo)損耗,。
有源OR-ing
最簡單形式的OR-ing器件是一種二極管。當(dāng)OR-ing二極管失效時,，將通過不允許電流流入輸入電源來對其進行保護,。OR-ing二極管允許電流僅以一個方向流動。它們用于隔離冗余電源,，因而一個電源的失效不會影響整個系統(tǒng),。消除單點失效，允許系統(tǒng)使用剩余的冗余電源來保持運行,。然而,，實現(xiàn)這種隔離卻有難題。一旦該OR-ing二極管插入到電流路徑中,，則會產(chǎn)生額外的功率損耗和效率降低,。該功率損耗會導(dǎo)致OR-ing二極管發(fā)熱，因而需要增加散熱器,，降低系統(tǒng)的功率密度,。當(dāng)二極管關(guān)斷時，其反向恢復(fù)會成為一個問題——該二極管必須具有軟開關(guān)特性,。為克服其中的一些問題,，已使用了肖特基二極管。這些二極管和p-n二極管之間的一個重要差異,，就是減小的正向壓降和可忽略的反向恢復(fù),。普通硅二極管的壓降介于0.7至1.7V之間；肖特基二極管的正向電壓降在0.2至0.55V之間,。雖然肖特基二極管在用作OR-ing二極管時,，系統(tǒng)的傳導(dǎo)損耗降低，但肖特基二極管卻具有較大漏電流——這將帶來傳導(dǎo)損耗,。該損耗低于硅二極管,。
這個問題的替代解決方案是使用功率MOSFET替代肖特基二極管。這引入了額外的MOSFET柵極驅(qū)動器，增加了復(fù)雜性,。MOSFET的RDSON必須非常小，從而該MOSFET的壓降比肖特基二極管的正向壓降低很多,，這可稱為有源OR-ing?，F(xiàn)代低壓MOSFET的RDSON非常低——即便采用TO-220或D2PAK封裝，它也可以低至幾毫歐,。飛兆半導(dǎo)體采用PQFN56封裝的FDS7650,，對于30V MOSFET可以小到低于1毫歐。當(dāng)OR-ing MOSFET導(dǎo)通時,，它允許電流以任一方向流動,。在失效情況下，冗余電源將產(chǎn)生大電流,，因而OR-ing MOSFET必須快速關(guān)斷,。飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench技術(shù)MOSFET也適用于這種應(yīng)用。