新的MOSFET將瞄準多個市場，包括直流對直流（DC-DC）、離線交流對直流（AC-DC）、電機控制、不斷電系統（UPS）、太陽能逆變器（Inverter）、焊接、鋼鐵切割、開關電源（Switched-mode Power Supply， SMPS）、太陽能/風能和電動車（EV）電池充電器等。

　　具較高開關頻率　MOSFET應用范圍優于IGBT

　　由于電力需求日益增長，且發電成本也同步上升，對公家事業而言，政府機構要求減少有害氣體排放量的壓力也在增加，在在迫使設計人員須提高設備電源效率和性能。尤其各國政府機構對最低電源轉換效率的規範，更讓元件設計人員須根據特殊拓撲的變化，開發特定應用MOSFET，因此元件參數在所有拓撲中，均扮演改善電路效率和性能的重要角色。

　　在1970年代晚期推出MOSFET前，閘流體（Thyristor）和雙極型接面電晶體（Bipolar Junction Transistors， BJT）是僅有的功率開關。BJT是電流受控元件，而MOSFET與在1980年代面世的絕緣閘雙極電晶體（IGBT）則同為電壓受控元件。

　　然而，MOSFET是正溫度系數元件，但IGBT不一定是正溫度系數元件；且MOSFET為多數載流子元件，成為高頻應用的理想選擇，如將DC轉換為AC的逆變器，可以在超音波的頻率下工作，以避免音頻干擾；相較于IGBT，MOSFET還具有高抗雪崩能力。

　　在選擇MOSFET時，工作頻率是一項重要的考量因素，與同等的MOSFET相比，IGBT具有較低的箝位能力。當在IGBT和MOSFET之間選擇時，必須考慮逆變器輸入的DC匯流排電壓、額定功率、功率拓撲和工作頻率。IGBT通常用于200伏特（V）及以上的應用；而MOSFET可用于從201000伏特的應用。市面上業者雖可提供300伏特的IGBT，但MOSFET的開關頻率比IGBT高得多，且較新型MOSFET還具有更低的導通損耗和開關損耗，逐漸在高達600伏特的中等電壓應用取代IGBT。

　　環保節能意識抬頭　特定應用MOSFET需求大增

　　對替代能源電力系統、UPS、開關電源和其他工業系統的設計工程師而言，由于須不斷設法改進系統輕載和滿載時的電源轉換效率、功率密度、可靠性和動態性能，故對效能優異的特定應用MOSFET需求殷切。其中，風能是近來增長最快的能源之一，風力機翼片控制中須使用大量的MOSFET元件，藉著滿足不同應用需求，特定應用MOSFET即可改善上述所需的功能表現。

　　不久的將來，其他需要新型和特定MOSFET的應用還包括易于安裝在家庭車庫，或商業停車場的電動車充電系統。這些充電系統將通過太陽能系統和公用電網（Utility Grid）來運行。由于壁掛式電動車充電站須具快速充電能力，且建置太陽能電池充電站也將變得愈來愈重要，均須導入可支援高壓的特定應用MOSFET。

　　太陽能逆變器可能需要不同的MOSFET，例如Ultra FRFET MOSFET和常規體（Regular Body）二極體MOSFET；至于叁相馬達驅動和UPS逆變器則需相同類型的MOSFET。近來，業界大量投資太陽能發電，大多數增長始于住宅太陽能計畫，隨后較大規模的商業專案也陸續出現，而多晶硅價格已從2007年的每公斤400美元跌落至2009年的每公斤70美元，且仍持續降價，也將驅動市場顯著增長。

　　事實上，太陽能系統對特定應用MOSFET的需求早已存在。由于太陽能可幫助降低峰值功率的成本，避免發電成本隨燃料價格波動而增加，并可為公用電網提供更多的電力，成為取之不盡的綠色能源；加上美國政府已設定目標，要求80%的國家電力要來自綠色能源，在在帶動對特定應用MOSFET元件不斷增長的需求。如果將不同拓撲的MOSFET元件優化，可顯著提升最終產品解決方案的效率。

　　與此同時，逐漸普及的市電并聯（Grid-tie）逆變器係一種將DC轉換為AC注入現有公用電網的專用逆變器。DC電源由可再生能源產生，如風力機組或太陽能電池板，該逆變器也被稱為電網交互（Grid Interactive）或同步逆變器，只有在連接至電網時，市電并聯逆變器才會工作。目前市場上的逆變器採用各種拓撲設計，視功能要求的折衷權衡而定，獨立操作的逆變器也以特定設計，提供功率因數為1，或延遲、超前的電源。

　　儘管特定應用MOSFET正快速興起，但其訴求高開關頻率須降低MOSFET的寄生電容，此一做法的代價將犧牲導通電阻（Rds（on））。而低頻應用，則要求以降低Rds（on）做為最優先考量。對于單端型應用，MOSFET自體二極體恢復（Body Diode Recovery）特性并不重要，但對雙端型應用則變得非常重要，因其要求低反向恢復電荷（Reverse Recovery Charge， QRR）和低反向恢復時間（Reverse Recovery Time， tRR）和更軟的自體二極體恢復。在軟開關雙端應用中，這些要求對可靠性極其重要；而硬開關應用因工作電壓增加，導通和關斷損耗也將提高，為減少關斷損耗，可根據Rds（on）來優化CRSS和COSS。

　　MOSFET支援零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）拓撲；然而IGBT僅支持ZCS拓撲，故一般而言，IGBT應用于大電流和低頻開關，MOSFET用于小電流和高頻開關；而透過混合模式模擬工具則可用來設計特定應用MOSFET。

　　事實上，隨著硅、溝槽技術迭有進展，特定應用MOSFET的導通電阻及其他動態寄生電容均已大幅降低；同時，更先進的封裝技術也對改善特定應用MOSFET的自體二極體恢復性能，發揮關鍵性的作用。

　　MOSFET適用高/低頻逆變器

　　以DC-AC逆變器應用為例，其廣泛應用于馬達驅動、UPS和綠色能源系統，通常高電壓和大功率系統使用IGBT；但對LV、MV、HV（12400伏特輸入DC匯流排），通常使用MOSFET。在太陽能、UPS和馬達驅動的高頻DC-AC逆變器領域，MOSFET已相當普及。

　　在某些DC匯流排電壓大于400伏特的情況下，會採用HV MOSFET；至于用在低功率應用上，因MOSFET具有一個內在的自體二極體，其開關性能很差，通常會在逆變器橋臂互補MOSFET中帶來高導通損耗。不過，在單開關或單端型應用中，如功率因數校正（PFC）、正向或返馳式（Flyback）轉換器，自體二極體不是正向偏壓，可忽略它的存在。

　　由于低載波頻率逆變器的負擔是附加輸出濾波器的尺寸、重量和成本；高載波頻率逆變器的優勢是較小、較低成本的低通濾波器設計。MOSFET可通用在這些逆變器裡，因可在較高的開關頻率下工作，此即減少射頻干擾（Radio-Frequency Interference， RFI），且因開關頻率電流成分在逆變器和輸出濾波器內流轉，從而消除向外的流動。

　　逆變器強調安全高效率　MOSFET須面面俱到

　　逆變器內建的MOSFET要求降低導通損耗，導致元件到元件之間的Rds（on）變化也須做到更小。此舉有兩個主要目的，首先在逆變器輸出端的DC成分較少，且此一Rds（on）可用于電流感測，以控制異常狀況（主要是在低壓逆變器中）；另外就是對相同的Rds（on），低導通電阻可縮小裸晶尺寸，從而降低成本。

　　當裸晶尺寸縮小時，還可進一步使用非箝位感應開關（Unclamped Inductive Switching， UIS）來設計MOSFET單元結構；相較于平面MOSFET，在相同的裸晶尺寸條件下，現代溝槽MOSFET具有良好的UIS。而薄裸晶減小熱阻（Thermal Resistance， RthJC），在這種情況下，較低的品質因數（FOM）可以公式1表示：

　　RSP×RthJC/UIS.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。公式1

　　對逆變器而言，MOSFET還須擁有良好的安全工作區（Safe Operating Area， SOA）和較低的跨導。同時，逆變器會產生少量的閘漏電容（Gate-to-drain Capacitance， CGD）（米勒電荷），但低CGD/CGS比是必要的，可降低擊穿的機率，且適度提高CGD可幫助減少電磁干擾（EMI），而低CGD則增加dv/dt，并因此加劇EMI。這些逆變器不在高頻下工作，而是處于中頻狀態，故可讓閘極ESR增加少許，并可允許稍高的CGD和CGS。

　　此外，MOSFET也要降低COSS減少開關損耗，但開關期間的COSS和CGD突變會引起閘極振盪和高過衝，長時間可能損壞閘級。這種情況下，高源漏dv/dt會成為一個問題。若藉由超過3伏特的高閘極閾值電壓（VTH），則可實現更好的抗噪性和并聯效益。

　　必須注意的是，逆變器MOSFET在某些情況下，需要高脈衝漏極電流（IDM）能力，以提供高短路電流的抗擾度，高輸出濾波器的充電電流，以及高馬達啟動電流。另外，藉著在裸晶上使用更多的接合絲焊來減少MOSFET的共源極電感。

　　最后則是擁有自體二極體恢復能力，MOSFET須具低QRR和tRR，且更軟、更快的自體二極體。同時，軟度因數（Softness Factor）S（Tb/Ta）應該大于1。如此一來，將可減小二極體恢復、dv/dt及逆變器的擊穿可能性；反過來說，活躍（Snappy）自體二極體會引起擊穿和高電壓尖峰脈衝的問題。

　　自體二極體對效率影響甚巨

　　本文討論的快速自體二極體MOSFET，因自體二極體的離子壽命被壓縮，故減少tRR和QRR，讓MOSFET的自體與外延二極體極為相似。這種特性使此一MOSFET適用于各種不同應用的高頻逆變器。至于逆變器橋臂，二極體由于反向電流而被迫正向導通，更加突顯此特性的重要性。

　　相形之下，常規MOSFET的自體二極體一般反向恢復時間長、QRR值高，若此自體二極體被迫導通，負載電流則改變方向，從二極體流向逆變器橋臂中的互補MOSFET；那么，在整個tRR期間，可從電源獲得大電流。這增加MOSFET中的功率耗散，并降低效率，尤其對太陽能逆變器而言，效率至關重要，將不偏向採用此一設計。

　　更重要的是，活躍自體二極體還會引入暫態擊穿狀況，例如，當其在高dv/dt下恢復，米勒電容中的位移電流能對閘極充電，達到VTH以上，同時互補MOSFET正試圖導通。這可能引起匯流排電壓的暫態短路，增加功率耗散并導致MOSFET失效。為避免此一現象，可在外部加碳化硅（SiC）或常規硅二極體，并以與MOSFET反向平行的方式進行連接。因為MOSFET自體二極體的正向電壓低，必須加上蕭特基二極體（Schottky Diode）與MOSFET串聯。

　　此外，一個反向平行的SiC須跨接在此一MOSFET和蕭特基二極體的組合之上（圖1）。當MOSFET反向偏壓時，外部SiC二極體導通，串接的蕭特基二極體不會允許MOSFET自體二極體導通。這種架構在太陽能逆變器中已變得非常普及，可以提高效率，但將增加成本。

　　圖1 以Ultra FRFET MOSFET（b）取代逆變器橋臂中失效的常規FET自體二極體（a）

　　要滿足上述所有應用，搭載快捷（Fairchild）FRFET技術的UniFET II高壓MOSFET功率元件，將是有效的解決方案。相較于UniFET MOSFET，由于RSP減小，UniFET II元件的裸晶尺寸也減小，并有助于改善自體二極體恢復的特性。

　　圖2顯示Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規UniFET MOSFET元件之間的二極體恢復比較。在這種情況下，QRR已經從3，100nC減少到260nC，且二極體開關損耗也顯著降低。

　　圖2　Ultra FRFET UniFET II MOSFET和常規UniFET MOSFET的自體二極體恢復特性比較

　　圖3則顯示採用Ultra FRFET時，相較于標準的UniFET II MOSFET，約可減少75%的導通損耗；同時也減少導通延遲時間、電流和電壓振鈴，并消除串聯蕭特基二極體的傳導損耗。不僅如此，UniFET II還降低COSS，優化開關效率。圖4所示為Ultra FRFET MOSFET、標準MOSFET和SiC結構的效率比較。

　　圖3 標準MOSFET和具有相同裸晶尺寸的Ultra FRFET UniFET II MOSFET的導通效率比較

　　圖4 太陽能逆變器中的Ultra FRFET元件、標準MOSFET和SiC解決方案的效率比較

　　不僅如此，特定應用MOSFET在其他電源管理設計中，也占有非常重要的地位，包括在SMPS、離線AC-DC、同步整流控制及取代主動OR-ing二極體的應用解決方案，均可窺見蹤跡，以下將分別介紹。

　　提高SMPS功率密度　拓撲架構徹底翻新

　　藉由整合電路拓撲的改善與更低損耗功率元件，SMPS開發商在提高功率密度、效率和可靠性方面，正進行一場革命性的發展，包括相移（Phase-Shifted）、脈寬調變（PWM）、零電壓開關、全橋和LLC諧振轉換器拓撲，均可利用FRFET MOSFET做為功率開關來實現這些目標。除LLC諧振轉換器常用于較低的功率應用外，其余拓撲皆用在較高功率。

　　這些拓撲具有以下的優勢：減少開關損耗、EMI，且相較于準諧振拓撲，減少MOSFET應力，由于提升開關頻率，因而減小散熱器和變壓器尺寸，對提高功率密度大有幫助。對相移全橋PWM-ZVS轉換器和LLC諧振轉換器應用的MOSFET要求，則包括具較低tRR和QRR，以及最佳軟度的快速軟恢復體二極體MOSFET，以提高dv/dt和di/dt抗擾性，降低二極體的電壓尖峰并增加可靠性。同時還要有低QGD和QGD/QGS比，因在輕負載下將出現硬開關，且高CGD×dv/dt可能會引起擊穿。

　　由于零電壓開關會變為硬開關，降低COSS可將零電壓開關延伸到更輕負載，從而減少硬開關損耗。此拓撲于高頻下運行，需要一個經優化的低CISS MOSFET。接著在關斷和導通期間，較低的分散式閘極內部ESR對于ZVS關斷和不均勻電流分布是有益的。

　　針對以上應用要求，常規MOSFET自體二極體有時會引起失效，而SupreMOS MOSFET FRFET MOSFET則相當適用于此一拓撲，因tRR和QRR，以及會引起失效的活躍二極體均有所改善。

　　導入PFC功能　AC-DC電源效率大增

　　另一方面，傳統AC電源經整流后輸入大電容濾波器，從輸入提取的電流為狹窄的高振幅脈衝，這一級構成SMPS的前端。當高振幅電流脈衝產生諧波，將對其他設備造成嚴重干擾，此外，也減少可從電源獲得的最大功率。

　　由于失真AC電壓將使電容器過熱、電介質應力和絕緣過壓，而失真電流也加劇配電損耗且浪費可用功率。為解決此一問題，利用PFC功能方可確保符合監管規範，減少由上述應力而導致的元件失效，并拉高電源利用效率，改善元件性能。

　　採用PFC可使輸入端看起來更像一個電阻，因相較于典型的0.60.7的SMPS功率因數值，該電阻具有一單位功率因數（Unity Power Factor），促使配電系統能以最高效率運行。

　　至于對PFC升壓開關的功能要求，首先是低QGD×RSP品質因數，因QGD和CGD會影響開關速率，同時也要降低CGD、QGD和RSP，以減少導通與開關損耗。此外，還要具備硬開關和零電壓開關，使COSS減少來壓低關斷損耗；加上PFC通常在100KHz以上的頻率運行，亦要降低CISS減低閘極驅動功率。

　　至于PFC運作的可靠度，則須仰賴高dv/dt抗擾性，若需要MOSFET并聯提供抗擾性，以承受dv/dt狀況的再次出現，還須採用高閘極閾值電壓（VTHGS）（35伏特）。

　　另外，PFC動態開關期間，MOSFET寄生電容的突然改變會導致閘極振盪，并增加閘極電壓，將影響長期的可靠性，設計時須留意此一情形。因高ESR會增加關斷損耗，尤其在零電壓開關拓撲中，故閘極ESR的控制相當重要。

　　改善電源壓降情形　同步整流方案崛起

　　同步整流也被稱為主動（Active）整流，其以MOSFET取代二極體，用以提升整流效率。典型二極體的電壓降大約會在0.71.5伏特之間，使得二極體中產生高的功率損耗。在低壓DC-DC轉換器中，此電壓降將非常顯著，造成效率下降。有時以蕭特基整流器來代替硅二極體來改善；然而，因為當電壓升高時，它的正向電壓降也會增加；且在低壓轉換器中，蕭特基二級體整流也無法提供足夠效率，促進同步整流方案興起。

　　現代MOSFET的RSP已大幅減少，且動態參數也已被優化。當這些主動式的控制MOSFET替換掉二極體，就可啟動同步整流。如今，MOSFET已可實現僅幾毫歐導通電阻，即使在大電流下亦可顯著降低兩端的電壓降，相較于二極體整流，大幅度提高效率。

　　此外，同步整流不是硬開關，在穩定狀態下具有零電壓轉換，且在導通和關斷期間，MOSFET自體二極體導通，使經過MOSFET的壓降為負，增加CISS。由于這種軟開關，閘極恆壓轉變為零，將可有效減少閘極電荷。

　　對同步整流的主要要求包括低RSP、低動態寄生電容，藉此減少在高頻下運行的同步整流電路閘極驅動功率。此外，還須具備低QRR和COSS以減少反向電流，當此一拓撲在高開關頻率下運行時，會引發一個問題，就是在高開關頻率下，此反向電流將可充當高洩漏電流。

　　與此同時，為避免暫態擊穿及降低開關損耗，還需要低tRR、QRR和軟性的自體二極體，且導通需為零電壓開關。在MOSFET通道關斷后，自體二極體再次導通，當次級電壓反轉時，自體二極體恢復，使得擊穿的風險升高。對此，活躍二極體需要一個跨接MOSFET的緩衝電路，而QGD/QGS比也須具較低規格，方能用于二級側同步整流。

　　接替蕭特基二極體　MOSFET OR-ing更高效

　　至于形式最簡單的OR-ing元件也是一種二極體，僅允許電流在一個方向流動，故當其失效時，電流不會回流入電源端，可保護輸入電源。此類二極體可用于隔離冗余電源，若一個電源失效，將不會對整個系統產生影響，只要移除單點失效即可讓系統使用剩余的冗余電源來保持運行。

　　然而，實現這種隔離有一些問題，一旦OR-ing二極體插入到電流路徑中，會產生額外的功率損耗并降低效率，產生更多熱源，故須加裝散熱器，導致系統功率密度難以提升。再者，OR-ing須具有軟開關特性，否則當二極體被關斷時，反向恢復會對系統產生影響。

　　為克服OR-ing二極體的問題，一直都是採用蕭特基二極體設計，其與P-N二極體之間的主要差異，就是減小正向電壓降及可忽略的反向恢復。普通硅二極體的壓降介于0.71.7伏特之間；而蕭特基二極體的正向電壓降在0.20.55伏特之間。當以蕭特基二極體做為OR-ing元件使用時，即便具有高洩漏電流，為系統帶來額外的導通損耗，該總體損耗仍會小于硅二極體。

　　另一個解決方案是以功率MOSFET來取代蕭特基二極體，但須引進額外的MOSFET閘極驅動器，增加系統復雜性。由于MOSFET的Rds（on）要求很小，因而兩端電壓降會比蕭特基二極體的正向電壓低很多，可稱之為新一代主動OR-ing二極體設計。

　　現階段低壓MOSFET的Rds（on）已做到很低；即便採用TO-220或D2封裝，也可以低至幾毫歐姆。舉例來說，快捷的FDS7650採用PQFN56封裝，對于30伏特MOSFET而言，可達到小于1毫歐姆，當OR-ing MOSFET導通時，還可讓電流以任一方向流動。至于在失效情況下，冗余電源提供大電流，因而OR-ing MOSFET須快速關斷，快捷的PowerTrench MOSFET也可解決此種狀況。