逆變器系統

　　DC-AC逆變器廣泛用于電機驅動、UPS和綠色能源系統。通常，高電壓和大功率的系統使用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的某些應用中，高壓MOSFET被用于小功率應用。MOSFET具有一個固有的開關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。在單開關或單端應用（例如PFC、正激或反激轉換器）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、重量和成本的負擔；高載頻逆變器的優勢則是更小、更低成本的低通濾波器設計。MOSFET是這些逆變器應用的理想之選，因為它們可以工作在較高的開關頻率下。這能減少射頻干擾（RFI），因為開關頻率電流分量在逆變器和輸出濾波器內部流動，從而消除了向外流動。

　　針對逆變器應用的MOSFET的要求包括：

　　特定的導通電阻（RSP）應該較小，來減少導通損耗。器件到器件的RDSON變化應該較小，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。

　　當晶圓尺寸減小時，可以使用非箝位感應開關（UIS）。應該采用良好的UIS來設計MOSFET單元結構，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，較低的品質因數（FOM）可以表示為RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作區（SOA）和較低的跨導。

　　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。

　　即使在該應用中工作頻率已較低，但降低COSS有助于減少開關損耗。同時也允許稍微增大COSS。

　　開關期間的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）可以實現更好的抗噪性和更好的MOSFET并聯。VTH應該超過3V。

　　體二極管恢復：需要具有低反向恢復電荷（QRR）和低反向恢復時間（tRR）的更軟、更快的體二級管。同時，軟度因子S（Tb/Ta）應大于1。這將減小體二極管恢復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導通，這使得它的特性更為重要。常規MOSFET體二極管通常具有長反向恢復時間和高QRR。如果在負載電流從二極管向逆變器橋臂的互補MOSFET轉換的過程中，體二極管被迫正向導通了，那么在tRR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，當其在高dv/dt下恢復，米勒電容中的位移電流能夠對柵極充電到VTH以上，同時互補MOSFET會試圖導通。這可能引起總線電壓的瞬時短路，增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此現象，可連接外部的SiC或常規硅二極管與MOSFET反向并聯。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SiC。當MOSFET反偏時，外部SiC二極管導通，并且串接的肖特基二極管不允許MOSFET體二極管導通。這種方案在太陽能逆變器中已經變得非常普及，可以提高效率，但卻增加了成本。

　　飛兆半導體采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一種高壓MOSFET技術功率器件，適合以上所列應用。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已經從3100nC減少到260nC，并且二極管開關損耗也顯著降低。

　　導通傳播延遲、電流和電壓振鈴被減小，串聯肖特基二極管的傳導損耗也被消除。相比UniFET MOSFET，UniFET II器件還具有較低的COSS，因而開關損耗被減小。