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提高(gao)功率变换效率的技术趋势(shi)

超级(ji)结(jie)MOSFET和SiC二极管的不(bu)断发展给设计人员(yuan)在优化成(cheng)本(ben)敏感的功率(lv)变换应用的性能和效率(lv)带来了更(geng)多的自由。电源设计要(yao)求效率(lv)增益及(ji)更(geng)多其他要(yao)求

为(wei)了继续提(ti)高如PFC和开关(guan)电(dian)源等功率变换系统(tong)的(de)工作效率，超(chao)级结(jie)MOSFET和宽(kuan)禁(jin)带的(de)sic二(er)极管(guan)已成(cheng)为(wei)具有节能意识的(de)设(she)计人(ren)员所青睐的(de)解(jie)决方案(an)。这两种技术使MOSFET导通(tong)电(dian)阻和二(er)极管(guan)反向(xiang)电(dian)压(ya)等关(guan)键参数(shu)不(bu)变的(de)情况下芯片尺寸更(geng)小，从而使设(she)计人(ren)员能够同时减小电(dian)路尺寸和增大电(dian)流密(mi)度。随着市场(chang)的(de)不(bu)断(duan)增长(zhang)，这些器件的(de)应(ying)用也(ye)在不(bu)断(duan)增长(zhang)，然而噪声性(xing)能改进等新的(de)需求(qiu)正在到(dao)来。

降低电(dian)磁(ci)噪声的(de)排放对如液晶电(dian)视、LED照(zhao)明、医疗(liao)电(dian)源、笔记本电(dian)源适配器和平(ping)板电(dian)脑等高端设(she)备(bei)的(de)电(dian)源是十(shi)分(fen)必要的(de)。

由于固有电磁辐射很低，零电压开关的LLC转换器等谐振开关拓扑结构很适用这些类型的应用。LLC电路的初级侧开关如图1所示(Ql和Q2为MOSFET)，现在大多数是采用超级结晶体管来构建一个紧凑和高效节能的电源。

超(chao)级结晶体管的发(fa)展(zhan)

超级结MOSFET使电源(yuan)设计人员受益于其比(bi)常规平(ping)面SiMOSFET更低(di)的(de)导通(tong)损耗(hao)和(he)更小(xiao)芯片尺寸。因为器件架构栅极(ji)电荷(he)／电容低(di)，超级结MosFET也(ye)有着比(bi)传(chuan)统si晶体管更低(di)的(de)开关损耗(hao)。

图2‘给出了早(zao)期(qi)超(chao)级(ji)结(jie)器件的(de)结(jie)构，传(chuan)(chuan)统上它(ta)一直使用多外延工艺制造。丰富的(de)N区域掺杂说明其比(bi)传(chuan)(chuan)统平面晶体管有着了更低的(de)电(dian)阻．P型区包(bao)围N沟道的(de)架构可(ke)以实现所需的(de)击穿电(dian)压。

这类器件的N型结构(gou)和P型结构(gou)使(shi)用了多外(wai)延工(gong)艺(yi)加工(gong)，导致了其尺寸(cun)不够理(li)想(xiang)，并对整(zheng)体设备的尺寸(cun)有所影响。此外(wai)，多外(wai)延加工(gong)固有特性也制(zhi)约了N沟道导通电阻最小化的程度。

深沟槽(cao)填充等(deng)制造工艺的改进实现了单外延(yan)加工，给(ji)(ji)设计人员(yuan)以更大(da)的自由度来优化N沟道及P沟道．进一步降低导通电阻(zu)(zu)，同时减小MOSFET的尺寸。图2b给(ji)(ji)出了东芝的DTMOSIV系(xi)列产品的结构，其利用单外延(yan)加工的优势使器件间距减少了27%，同时芯片(pian)单位面积导通电阻(zu)(zu)减少了30%。此外.DTMOSV基于深槽(cao)工艺．单元结构水平得到了进一步提高(gao)。

单外(wai)延工艺(yi)也使超级结MOSFET对温度变化时有(you)着更稳定的(de)性能(neng)，这有(you)助(zhu)于在(zai)更高(gao)工作温度时维持功(gong)率(lv)(lv)变换器的(de)效率(lv)(lv)。图3说明了采用最(zui)新一代技术使器件标称导(dao)通电阻(zu)在(zai)温度变化显著时减少，在(zai)150℃时导(dao)通电阻(zu)降低(di)了12%。

DTMOS V FET满足低EMI的要求(qiu)

随(sui)着第5代DTMOSV器件的(de)(de)(de)到(dao)来，设计人员可以将(jiang)具有(you)低噪声性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)超级结MOSFET用于功率变(bian)换器。DTMOSVFET也有(you)着了(le)低噪声和(he)高(gao)开关性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)均衡比。这是通过改(gai)进栅极结构和(he)模式(shi)来实现的(de)(de)(de)，也导致了(le)栅极和(he)漏极之间的(de)(de)(de)反向传输电容(rong)(CRSS或CGD)增加。

这种器件(jian)产生的(de)噪(zao)声(sheng)可(ke)与其他(ta)与之(zhi)竞争(zheng)的(de)低(di)EMI器件(jian)相(xiang)媲(pi)美，同(tong)时该(gai)器件(jian)具有超级结技(ji)(ji)术的(de)优(you)越导通电(dian)阻特性(xing)。图4中比(bi)较了(le)用于(yu)电(dian)视机(ji)电(dian)源(yuan)中的(de)PFC电(dian)路的(de)第(di)4代(dai)和第(di)5代(dai)N沟(gou)道o．38m.Ω级600V器件(jian)产生的(de)EMI．从结果看出新技(ji)(ji)术的(de)采用显著(zhu)降低(di)了(le)干扰。

整流二极管推(tui)进(jin)SiC研究

由于补(bu)充了高(gao)效率，深槽沟超级结功(gong)率开关(guan)带来电流密度，与标准Si器件相比(bi)较，新一代sic=极管结合了优越的(de)能源(yuan)效率与更(geng)大(da)的(de)电流密度、并(bing)有着(zhe)更(geng)高(gao)的(de)额定电流和更(geng)强的(de)鲁(lu)棒性．且性价比(bi)也(ye)得(de)到了提升。

SiC优(you)势概括

SiC材料的特性使SiC肖特基势垒二极管（SBD1有着可媲美传统Si器件的快速及温度稳定的反向恢复性能，保证了其低损耗关断性能。而常规SiSBD有着相对高的温度依赖的漏电流影响，如果不施加反向电压降额，漏电流可导致其热不稳定性。此外．SiC的宽带隙特性允许与芯片尺寸相关的更高的电压等级，使650V和1200V器件能够放置在行业标准的表面贴封装和通孑L封装中。如图5所示，这些特征的结合使得SiC=极管及如DTMOS lV x型器件等高速超级结MOSFET成为PFC等应用的理想器件。

图5：最新(xin)SiC=极管(guan)与高(gao)速超级结(jie)MOSFET结(jie)合使用可提高(gao)PFC电路的效率。

图6a和6b给出了(le)结构(gou)改进后的SiC SBD与标准Si SBD的结构(gou)对比。

新(xin)一代SiC SBD

最(zui)新一代650V SiC SBD的(de)主(zhu)要(yao)目标是有效提高性能(neng)并降低器(qi)件(jian)成(cheng)本，提高最(zui)大正(zheng)向电流浪(lang)涌能(neng)力，从而(er)提供能(neng)够适应苛刻应用条(tiao)件(jian)的(de)更强大的(de)器(qi)件(jian)。

与大规模集成电路(lu)（LSI）半导(dao)体(ti)一样，功率半导(dao)体(ti)的芯(xin)片尺寸(cun)是成本的关键部分。第2代SiCSBD架构的开发主(zhu)要集中在降低芯(xin)片厚(hou)度(du)，最终减(jian)少了三分之二的芯(xin)片厚(hou)度(du)，成本得以降低．同时电流密(mi)度(du)也提高了多达1.5倍(bei)。

为(wei)了(le)增加浪(lang)涌电(dian)流能(neng)力，并为(wei)电(dian)源应用提供更(geng)强大的(de)器件(jian)，我们在(zai)第1代架构已进行改(gai)进并减少了(le)调(diao)制(zhi)的(de)电(dian)导率(采(cai)用二极管正向电(dian)压(VF)测试)，从而实(shi)现(xian)更(geng)高的(de)最(zui)大正向浪(lang)涌电(dian)流(IFSM)．其中(zhong)通过(guo)优化实(shi)现(xian)的(de)P+区如(ru)图7所(suo)示。

改变二极管结构改善了电流密度和VF之间(jian)的(de)关系，提(ti)高(gao)了奠电导(dao)率调制开始出现(xian)的(de)电压，如(ru)8所示图。这样(yang)使(shi)器(qi)件有(you)着较高(gao)IFSM．也使(shi)第(di)2代架构的(de)IFSM优于(yu)第(di)1代器(qi)件。

结论：

电源设计人员(yuan)的压(ya)力来(lai)自于致力于满足更高能源效率、可靠性和小(xiao)型(xing)化、越来(lai)越严格(ge)的成本(ben)约束等各(ge)方(fang)面(mian)的要求。此外，他们也没有太多可利用(yong)时间在设计中来(lai)考虑抑制电磁干扰(rao)。

采用如具有低导通电阻和低噪声性能的功率MOSFET．以及低漏电(dian)(dian)流(liu)且高温度稳定性的整流(liu)二极(ji)管(guan)(guan)等最新功(gong)(gong)率半(ban)导(dao)体(ti)技术可有效提高设(she)计成功(gong)(gong)率。最新一(yi)代超(chao)级结MOSFET和(he)SiC二极(ji)管(guan)(guan)具(ju)有以上特(te)性，且开关性能得(de)到了改进，具(ju)有较(jiao)强的鲁棒性和(he)可靠性，电(dian)(dian)流(liu)密(mi)度也得(de)到了提升(sheng)，具(ju)有经济意义的价格使其可用(yong)于成本(ben)敏感的功(gong)(gong)率变换(huan)应用(yong)中。

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