Toshiba 的次世代溝槽式閘極 MOSFET 可提升效率與功率密度

在針對較高效率、採用更緊湊設計並具有可靠切換特性的應用挑選 MOSFET 時，實際的效能與規格書上的規格並非永遠吻合。MOSFET 在設計計算中看似符合要求，但在設計完成後會因切換損耗、二極體恢復行為及熱限制等因素而表現欠佳。

是否挑選到合適的 MOSFET，可能就是產品運作時保持涼爽且高效，或是過熱且耗能的關鍵差異。成功應用的重要衡量指標包括：

• 導通電阻 (R_DS(on)) 指的是 MOSFET 完全導通時所呈現的電阻。較低的 R_DS(on) 代表以熱能形式浪費掉的能量較少，此指標會直接影響裝置導通電流的效率。
• 總閘極電荷 (Q_g) 可指出 MOSFET 啟動與關閉所需的電荷量。較低 Q_g 可達到更快且更節能的切換，減少對閘極驅動電路的負擔。
• 逆向恢復電荷 (Q_rr) 是指當 MOSFET 內部的二極體從導通切換到不導通時所釋放出的電荷量。較低的Q_rr 有助於在高速切換期間抑制電壓尖波，進而達到更安靜且更可靠的運作。
• 本體二極體的恢復特性可決定 MOSFET 內建二極體停止導通並針對下一個週期進行重置的效率。快速且潔淨的恢復特性可減少電氣雜訊和發熱。

效率需求的增加速度超出了許多既有功率級的能力。在切換式電源供應器 (SMPS)、工業自動化、資料中心基礎設施及汽車電子等應用中，效率的提升與功率密度的增加，正逐漸觸及傳統 MOSFET 技術的極限。

溝槽式閘極 MOSFET 的優勢

Toshiba 的 U-MOS11-H MOSFET 採用溝槽式閘極設計，可因應大幅降低 R_DS(on)、減少閘極電荷及提升二極體恢復特性的挑戰。

數十年來，MOSFET 通常採用水平佈局設計，因此若要提升效能，通常要挑選更大的元件。溝槽式閘極 MOSFET 在矽晶體中使用垂直「溝槽」來形成閘極電極，而非平面表面。透過此技術，電流會垂直通過矽晶，而非橫向流動。閘極能更有效地包圍通道、減少承載電流所需的矽晶量，並可降低特定裸晶尺寸下的 R_DS(on)。

溝槽式 MOSFET 可大幅降低 Q_rr，以抑制高速切換時可能產生的大電壓尖波，因此非常適合用於高效率電源供應器、DC-DC 轉換器及汽車或工業用的功率級。

新款 U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ (圖 1) 是額定電壓為 100 V 的 N 通道 MOSFET，具有超低的 R_DS(on)，僅有 2.7 mΩ (10 V_GS)。比起上一代 U-MOSX-H 系列，R_DS(on) 降低大約 8%，因此在高負載下可降低發熱並提高導通效率。

圖 1：Toshiba 的 TPH2R70AR5,LQ 屬於新一代的溝槽式閘極 MOSFET，具有較低的 RDS(on)、最小化的閘極電荷及改良的二極體恢復特性。(圖片來源：Toshiba)

新一代裝置的 Q_rr，約比先前世代的同等裝置降低約 38%，因此在切換時可降低電壓尖波與 EMI。總閘極電荷大約降低 37%，能讓切換速度更快且更乾淨，且從閘極驅動器汲取的能量更少。

此外，此 MOSFET 在高效電源設計注重的其他關鍵指標上也都有所提升。R_DS(on) × Q_g 結合了導通電阻與閘極電荷，可顯示出導通損耗與切換損耗之間的整體權衡。R_DS(on) × Q_rr 同樣適用於 MOSFET 的本體二極體，可反映出二極體恢復期間所產生的應力、熱量和電壓尖波。在這兩方面，U-MOS11-H 較前一代提升超過 40%，能讓工程師擁有更多的熱餘裕並達到更潔淨的運作，同時不會增加封裝體積。

促成更小、更輕量的設計

隨著伺服器及 5G 基礎建設等應用對於緊湊且高效的 DC/DC 轉換器與切換式電源 (SMPS) 需求增加，U-MOS-11-H 這類的 MOSFET 對於促成更小巧、更輕量且高功率密度的設計來說至關重要。降低導通與切換損耗可提升能源效率、減少散熱需求，並有助於降低整體系統成本與設計複雜度。

U-MOS-11H 可在標準電源專案中當作可靠且充分說明的 MOSFET 元件，不僅使用簡便，更無需複雜的閘極驅動器或特殊需求。可在效率、可靠性和簡單實作之間達到有效的平衡。

針對進階應用，Toshiba 新推出的 MOSFET 可在功率密度與熱效率上提供突破極限的機會，能支援像是緊湊型 SMPS、高密度伺服器或工作站電源，以及高效率電池或馬達驅動系統等設計，皆可在成熟的矽晶 MOSFET 架構下達成。

從策略角度來看，U-MOS11-H 兼具可靠矽晶 MOSFET 技術的成熟優勢與最新的效率及切換效能改進，能為工程師提供高效能的解決方案，因此是搭配最先進功率級解決方案時的有力選擇。

結論

Toshiba 的 U-MOS11-H MOSFET 憑藉矽晶　MOSFET　成熟且符合成本效益的優點，如可靠性、廣泛的可用性，以及可預測效能與最新的性能增進，能讓設計人員針對目前的高要求應用打造出更小巧、更高效且更可靠的電力電子產品。