高效的AC/DC SMPS與DC/DC轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代功率架構(gòu)的主干，用于驅(qū)動諸如電信或計算機此類系統(tǒng)。為了滿足市場這些轉(zhuǎn)換器的需求，英飛凌科技推出了全新的100V MOSFET系列器件。該系列器件以電荷平衡為基礎(chǔ)，可大幅度降低導通電阻。通過結(jié)合應(yīng)用低柵電荷、高開關(guān)速度、卓越的抗雪崩能力以及改進的體內(nèi)二極體(body-diode)特性，這些器件適用于多種不同的應(yīng)用。
1. 簡介
今天，電信與計算系統(tǒng)中的嵌入式功率系統(tǒng)面臨著功率密度日益增加所帶來的挑戰(zhàn)。盡管功率要求不斷提高，但功率系統(tǒng)空間最多保持不變。這些需求只有通過更高的系統(tǒng)效率來滿足。
改進可在不同的級別實現(xiàn)——系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換器和器件級別。新的功率架構(gòu)可降低系統(tǒng)級別的損耗。優(yōu)化AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)可提高轉(zhuǎn)換器級別的效率。新型MOSFET技術(shù)可提升器件級別的效率。MOSFET是功率轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵組件。更好的技術(shù)可使現(xiàn)有拓撲結(jié)構(gòu)采用更具挑戰(zhàn)性的操作條件——增加開關(guān)頻率甚至可以改變其他拓撲結(jié)構(gòu)。
英飛凌的新型OptiMOS 2 100V技術(shù)可提供當今市場上最快的開關(guān)速度和最低的導通電阻。此外，帶有超低柵電荷的高速系列(HS系列)可進一步將速度提升33%.
2. 新型OptiMOS 2 MOSFET的先進理念
功率MOSFET的補償理念是在1998年上市的600-V CoolMOS產(chǎn)品中推出的。與傳統(tǒng)功率MOSFET相比，Rds(on)∙A大幅度降低的基本原理是由位于P柱的受體對N漂移區(qū)的施體進行補償。
對于擊穿電壓低于200V的應(yīng)用而言，溝槽場極板MOSFET是很好的選擇。場極板的應(yīng)用可明顯改善器件的性能。器件包含深入大部分N漂移區(qū)的深溝槽。絕緣深源電極通過厚氧化層與N漂移區(qū)隔離開，并作為場極板提供阻斷條件下平衡漂移區(qū)施體所需的移動電荷。厚場極板絕緣必須能夠承受溝槽底部的阻斷電壓。相應(yīng)地，以微米為單位的氧化物厚度也必須小心控制，避免底部溝槽角落的氧化物過薄，并防止出現(xiàn)應(yīng)力導致的缺陷。與標準MOS結(jié)構(gòu)不同(標準MOS結(jié)構(gòu)的電場線性下降，在體/漂移區(qū)pn結(jié)合部下降到最大值)，場極板可帶來幾乎恒定的電場分布，因此可縮短面向既定擊穿電壓的漂移區(qū)長度。此外，漂移區(qū)摻雜度可有所提高，降低了導通電阻。
實際上，Rds(on)∙A甚至可降低到低于所謂的“硅極限值”——既定擊穿電壓下理想p+n-結(jié)點的導通電阻。場極板和溝槽柵MOSFET的結(jié)合應(yīng)用可帶來當今市場上最低的電阻和最快的硅開關(guān)技術(shù)。
3. 應(yīng)用優(yōu)點
在嵌入式功率系統(tǒng)中，目前面向100V MOSFET的主要應(yīng)用有三種：AC/DC前端同步整流開關(guān)(輸出電壓12-20V)、48V寬范圍電源母線上的功率開關(guān)以及利用48V電源母線進行操作的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的原邊側(cè)主開關(guān)。極低的Rds(on)值對以上所有應(yīng)用都有利。100V OptiMOS 2技術(shù)的其他功能適用于其中的一些具體應(yīng)用。
電荷平衡的應(yīng)用使OptiMOS 2 100V技術(shù)在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都具有很強的競爭力。這種技術(shù)可使在單一器件里同時實現(xiàn)基準性關(guān)鍵參數(shù)如Rds(on)、Qg、Qgd、Crss/Ciss比值和卓越的抗雪崩能力等。低導通電阻Rds(on)(12.5mΩ(max)@D-Pak，5.1mΩ(max)@D²-Pak)加上快速開關(guān)能力以及卓越的抗雪崩能力使OptiMOS 2 100V成為安全、高性能和高功率密度應(yīng)用的正確選擇。
（1）抗雪崩能力
雖然電感負載在電機控制及相似應(yīng)用中存在，但在嵌入式功率系統(tǒng)中并沒有， 因此MOSFET安全處理雪崩事件的能力至關(guān)重要。上述所有應(yīng)用可能要面對諸如雷擊或其他不可預見性事件所造成的故障，使這些設(shè)備處于雪崩狀態(tài)？煽康目寡┍滥芰Υ_保系統(tǒng)安全運行，即使在這些糟糕狀況下。
在硅技術(shù)級，有兩種機制可以在雪崩期間提供電荷載體。
第一種機制與MOSFET中寄生npn晶體管的導通有關(guān)。這是一種非熱破壞，因為它是由電流通過p基區(qū)造成的。一旦該區(qū)域的壓降大到可以順向偏壓繞過基極發(fā)射極勢壘，晶體管就會導通。該機制具有自動放大功能，可導致電流限制型雪崩特性。對于功率MOSFET來說，這種限制并不有利，因為只要達到臨界電流水平，即使是非常低的能量都足以破壞設(shè)備。
第二種機制與載體的雪崩產(chǎn)生相關(guān)。設(shè)備上的過電壓足以將單個自由電子加速至可以再次產(chǎn)生自由電子的水平，從而帶來連鎖反應(yīng)。設(shè)備中的能量耗散分布在漂移區(qū)。在該機制下，設(shè)備雪崩能力限制是由該設(shè)備吸收(熱)能量的能力決定的。這個故障機制被稱為熱破壞機制。
與以前的技術(shù)相比，全新100V OptiMOS 2設(shè)備具有強大的抗雪崩能力。
（2）對動態(tài)導通的抗擾性
降低SMPS里的功率損耗最有效的工具就是將二次側(cè)整流從無源系統(tǒng)(使用二極管)變?yōu)橛性赐秸?使用MOSFET)。對于輸出電壓12V-24V(取決于拓撲結(jié)構(gòu))的應(yīng)用而言，100V MOSFET是同步整流的正確選擇。由于有相應(yīng)的傳導損耗，Rds(on) 成為同步整流的關(guān)鍵參數(shù)。
但用于二次側(cè)整流的MOSFET也帶來了額外的風險。其中最顯著的方面是動態(tài)導通。在硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)中，當器件開始阻斷時，可能有非常大的從漏極到源極的dv/dt值。這種dv/dt值通過電容性Cgd/Cgs分壓器與柵極聯(lián)系起來，并可動態(tài)接通相關(guān)器件。在這種情況下將形成短路，導致MOSFET和變壓器損耗大幅度提高。
（3）最低的FOMg和FOMgd值
有效功率轉(zhuǎn)換的最高需求是在面向電信和服務(wù)器電源以及類似系統(tǒng)的DC/DC功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。這些轉(zhuǎn)換器要求以有效方式提供最高的電流。這只有通過利用最先進的組件和拓撲結(jié)構(gòu)并采用250kHz及以上的開關(guān)頻率才能實現(xiàn)。
對于標準48V寬范圍系統(tǒng)而言，100V MOSFET通常作為半橋或全橋拓撲結(jié)構(gòu)中的原邊側(cè)主開關(guān)。由于開關(guān)頻率非常高，需要低導通電阻Rds(on)亦需要低柵電荷Qg。FOMG(Rds(on)∙Qg)因此成為MOSFET選擇的一個可靠衡量尺度。此外，與開斷損耗直接相關(guān)的Qgd也同樣重要。注意，整體效率僅增加1%將意味著MOSFET開關(guān)溫度下降17°C。D類放大器也有類似的要求，在D類放大器中，MOSFET運行在半橋或全橋拓撲結(jié)構(gòu)里。
4. 結(jié)論
100V MOSFET的應(yīng)用涵蓋眾多要求。新型OptiMOS2 100V系列采用了先進的MOSFET技術(shù)，可為安全、快速開關(guān)和最低電阻功率MOSFET器件提供所需的特性(參見圖1)。
參考資料
[1] G. Deboy, M. März, J.-P. Stengl, H. Strack, J. Tihanyi and H. Weber. A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit line of silicon, Proc. IEDM, 683-685, 1998
[2] L. Görgens, D. Ahlers and J. M. Martinez Sanchez. New Opportunities in DC/DC Conversion with Recent Developments of MOSFET Technologies, Proc. EPE, Dresden, 2005
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