Toshiba 的新一代沟槽栅极 MOSFET 提高了效率和功率密度

在选择 MOSFET 时，其实际性能与数据表上的规格并不总是一致，因为 MOSFET 能为应用提供更高的效率、更紧凑的设计和可靠的开关特性。MOSFET 看似符合设计计算要求，但在设计完成后，往往会由于开关损耗、二极管恢复特性和热限制等因素导致性能表现不佳。

选择合适的 MOSFET，意味着产品运行时低温高效，还是过热或耗能严重，两者存在天壤之别。以下参数是应用成功的重要指标：

• 导通电阻 (R_DS(on)) 是指 MOSFET 完全导通时的电阻。较低的 R_DS(on) 意味着以热量形式浪费的能量较少，这将直接影响器件的电流传导效率。
• 栅极总电荷 (Q_g) 定义了 MOSFET 导通和关断所需的电荷量。Q_g 值越低，开关速度越快，能效越高，从而降低栅极驱动电路的负载。
• 反向恢复电荷 (Q_rr) 表示 MOSFET 内部二极管从导通切换到非导通时释放的电荷量。更低的 Q_rr 有助于抑制高速开关动作时的电压尖峰，从而更安静、更可靠地运行。
• 体二极管的恢复能力决定了 MOSFET 内置二极管停止导通并复位到下一个周期的效率。快速、洁净的恢复减少了电气噪声和热量。

效率要求越来越多，已超过许多现有功率级的承载能力。在诸如开关模式电源 (SMPS)、工业自动化、数据中心基础设施和汽车电子等应用中，更高的效率和更大的功率密度正在突破传统 MOSFET 技术的限制。

沟槽栅极 MOSFET 的优势

Toshiba 的 U-MOS11-H MOSFET 采用沟槽栅极设计，能够显著降低 R_DS(on)，最大限度地减少栅极电荷，并改善二极管的恢复特性。

几十年来，MOSFET 都是采用水平布局制造的，要提高性能通常需要选择更大的元器件。沟槽栅极 MOSFET 利用硅片中的垂直“沟槽”结构形成栅电极，而非平面结构。利用这种技术，电流垂直流过硅片，而不是横向流过硅片。栅极能更有效地环绕沟道，从而减少承载电流所需的硅片数量，并在给定芯片尺寸下降低 R_DS(on)。

沟槽栅极 MOSFET 可显著降低 Q_rr，从而抑制高速开关时可能出现的大电压尖峰，因此非常适合用于高能效电源、DC-DC 转换器以及汽车或工业功率级。

新型 U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ（图 1）是额定电压为 100 V 的 N 沟道 MOSFET，具有仅为 2.7 mΩ 的超低 R_DS(on)（10 V_GS）。与上一代 U-MOSX-H 系列相比，R_DS(on) 降低了约 8%，从而减小了重负载时的热量，提高了传导效率。

图 1：Toshiba 的 TPH2R70AR5,LQ 是新一代沟槽栅极 MOSFET，具有更低的 RDS(on)、最少的栅极电荷和更优的二极管恢复特性。(图片来源：Toshiba）

新一代器件的 Q_rr 比同类早期器件低约 38%，从而减少了开关动作期间的电压尖峰和 EMI。栅极总电荷下降了约 37%，因此能实现更快、更洁净的开关动作，且从栅极驱动器汲取的能量更少。

此外，这种 MOSFET 还改进了对高效电源设计非常重要的其他关键指标。R_DS(on) × Q_g 结合了导通电阻和栅极电荷，显示了传导损耗和开关损耗之间的整体权衡。R_DS(on) × Q_rr 对 MOSFET 的体二极管也有同样的作用，反映了二极管恢复期间产生的应力、热量和电压尖峰。在这两方面，U-MOS11-H 相较于上一代产品性能提升超 40%，为工程师提供了更充足的热余量与更洁净的工作状态，而且无需增加封装尺寸。

实现更小、更轻的设计

随着服务器和 5G 基础设施等应用对紧凑高效的 DC/DC 转换器和 SMPS 需求的增加，U-MOS-11-H 等 MOSFET 对于实现更小、更轻、高功率密度的设计来说极其重要。降低传导和开关损耗可提高能效，减少冷却需求，并降低系统总成本和设计复杂性。

U-MOS11H 是标准电源项目中性能可靠、文档完善的 MOSFET 构建块，具备易用性优势，且无需复杂的栅极驱动器，也无特殊使用要求。该器件在效率、可靠性和直接实施之间取得了有效的平衡。

对于高级应用，这些升级版 Toshiba MOSFET 提供了突破功率密度和热效率极限的机会，支持诸如紧凑型 SMPS、高密度服务器或工作站电源以及高效电池或电机供电系统等设计——所有这些应用都基于成熟的硅 MOSFET 架构。

从战略角度来看，U-MOS11-H 将备受信赖的硅 MOSFET 技术的成熟优势，与最新的效率和开关性能改进相结合，为工程师提供了一套高性能解决方案，使其成为可与最先进功率级解决方案并驾齐驱的极具吸引力的选择。

结语

Toshiba 的 U-MOS11-H MOSFET 利用硅 MOSFET 成熟和高性价比优势（如高可靠性、广泛的可用性和性能可预测性）以及最新的性能提升，使设计人员能够为当今要求苛刻的应用设计出更小、更高效、更可靠的功率电子器件。