利盈娱乐(中国)创新平台有限公司

提高(gao)功率变换效率的技术趋势

超(chao)级结MOSFET和SiC二极管的(de)(de)不断发展给设计人员(yuan)在优化成(cheng)本敏感的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)变换应用(yong)的(de)(de)性能和效(xiao)率(lv)(lv)带来了更多的(de)(de)自由。电源设计要(yao)求(qiu)效(xiao)率(lv)(lv)增益及更多其(qi)他要(yao)求(qiu)

为了继(ji)续提(ti)高(gao)如(ru)PFC和(he)开关电源等(deng)功率变换系统的(de)(de)工作效率，超级结MOSFET和(he)宽禁带的(de)(de)sic二(er)极管(guan)已成为具有节能意识(shi)的(de)(de)设(she)计人(ren)员所青(qing)睐的(de)(de)解决方案。这(zhei)两(liang)种(zhong)技术使MOSFET导通(tong)电阻和(he)二(er)极管(guan)反向电压等(deng)关键参数(shu)不变的(de)(de)情况下芯片尺寸更(geng)小，从而(er)使设(she)计人(ren)员能够同时减(jian)小电路尺寸和(he)增(zeng)(zeng)大(da)电流密度。随着市(shi)场的(de)(de)不断增(zeng)(zeng)长，这(zhei)些(xie)器件的(de)(de)应用(yong)也在不断增(zeng)(zeng)长，然而(er)噪声性能改进(jin)等(deng)新的(de)(de)需求正在到来。

降(jiang)低电磁噪声的排放对如液晶电视、LED照明、医(yi)疗电源、笔记本电源适配器和平板电脑等(deng)高(gao)端设备的电源是十分必要的。

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。

超级结晶体(ti)管的发展

超(chao)级(ji)结(jie)MOSFET使电源设计人员受益于其比常(chang)规平面(mian)SiMOSFET更(geng)(geng)低的导通(tong)损耗和更(geng)(geng)小芯(xin)片尺寸。因为器件(jian)架(jia)构栅极(ji)电荷／电容低，超(chao)级(ji)结(jie)MosFET也有着比传(chuan)统si晶(jing)体管更(geng)(geng)低的开关损耗。

图2‘给出了早期(qi)超级结器(qi)件的(de)结构，传统上它(ta)一直使用多外延工艺制造(zao)。丰富的(de)N区域掺(chan)杂说明其比(bi)传统平面(mian)晶体(ti)管(guan)有着了更低的(de)电阻．P型区包(bao)围N沟道的(de)架构可以(yi)实现所需的(de)击(ji)穿电压。

这类器件的(de)(de)N型(xing)结(jie)构和(he)P型(xing)结(jie)构使(shi)用了(le)多外延工艺加工，导致了(le)其尺(chi)寸不够理想，并对整体设(she)备的(de)(de)尺(chi)寸有(you)(you)所影响。此外，多外延加工固(gu)有(you)(you)特(te)性也制(zhi)约了(le)N沟道导通电阻最小化的(de)(de)程度。

深沟槽填(tian)充等(deng)制造工艺的(de)(de)改进(jin)实现了单(dan)外延(yan)加工，给设计人(ren)员(yuan)以更大的(de)(de)自由度来优(you)化N沟道(dao)及P沟道(dao)．进(jin)一步降低导通电阻，同时减(jian)(jian)小MOSFET的(de)(de)尺寸。图2b给出了东芝(zhi)的(de)(de)DTMOSIV系列产品(pin)的(de)(de)结构(gou)，其利用单(dan)外延(yan)加工的(de)(de)优(you)势使器件间(jian)距减(jian)(jian)少(shao)(shao)了27%，同时芯片(pian)单(dan)位面积导通电阻减(jian)(jian)少(shao)(shao)了30%。此外.DTMOSV基于(yu)深槽工艺．单(dan)元结构(gou)水平得到(dao)了进(jin)一步提高。

单外延(yan)工艺也使超级(ji)结MOSFET对温(wen)度变化时有(you)着更稳定(ding)的性能，这有(you)助于在更高工作(zuo)温(wen)度时维持功率变换器(qi)的效率。图(tu)3说(shuo)明(ming)了采(cai)用最新一代技术使器(qi)件(jian)标称(cheng)导通(tong)(tong)电阻在温(wen)度变化显(xian)著时减少，在150℃时导通(tong)(tong)电阻降低了12%。

DTMOS V FET满足(zu)低EMI的(de)要(yao)求

随着第5代(dai)DTMOSV器件的到来，设计人员可以将具有低噪声(sheng)性能的超级结MOSFET用于功率变换器。DTMOSVFET也有着了低噪声(sheng)和(he)高开关性能的均衡(heng)比。这是通过改进栅(zha)极结构(gou)和(he)模式(shi)来实现的，也导致了栅(zha)极和(he)漏(lou)极之间的反向(xiang)传输电容(CRSS或CGD)增加。

这种器件产(chan)生的(de)(de)噪(zao)声可与其他与之竞争的(de)(de)低EMI器件相媲美，同时该(gai)器件具有超级结技(ji)术(shu)的(de)(de)优越导(dao)通(tong)电(dian)(dian)(dian)阻特(te)性。图(tu)4中比较了(le)用(yong)于电(dian)(dian)(dian)视机电(dian)(dian)(dian)源中的(de)(de)PFC电(dian)(dian)(dian)路的(de)(de)第(di)4代和第(di)5代N沟道o．38m.Ω级600V器件产(chan)生的(de)(de)EMI．从结果看出新技(ji)术(shu)的(de)(de)采用(yong)显著降(jiang)低了(le)干扰。

整流二(er)极管推进SiC研究

由于补充了高效(xiao)率，深槽(cao)沟超级结功率开(kai)关带来(lai)电(dian)流(liu)密度，与标准Si器件相(xiang)比较，新(xin)一(yi)代sic=极管(guan)结合了优越(yue)的能源效(xiao)率与更(geng)(geng)大(da)的电(dian)流(liu)密度、并有(you)着更(geng)(geng)高的额定(ding)电(dian)流(liu)和更(geng)(geng)强的鲁棒性．且性价比也(ye)得到了提升(sheng)。

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(jian)。

图5：最新SiC=极管与高速超(chao)级(ji)结(jie)(jie)MOSFET结(jie)(jie)合使用可提高PFC电路的(de)效率。

图6a和6b给(ji)出了结构改进后的SiC SBD与标准Si SBD的结构对比。

新一代SiC SBD

最新一代650V SiC SBD的(de)主要目(mu)标(biao)是(shi)有效(xiao)提高性能(neng)并降低器件成本，提高最大正(zheng)向电流浪涌能(neng)力，从而提供能(neng)够适(shi)应(ying)苛刻应(ying)用条(tiao)件的(de)更强(qiang)大的(de)器件。

与大规模(mo)集成电(dian)(dian)路（LSI）半(ban)导体一样(yang)，功率半(ban)导体的芯(xin)片尺寸是成本(ben)的关键部(bu)分。第2代SiCSBD架(jia)构的开(kai)发(fa)主(zhu)要集中在降低(di)芯(xin)片厚度，最终减少了(le)三分之二的芯(xin)片厚度，成本(ben)得以降低(di)．同时(shi)电(dian)(dian)流密(mi)度也提高了(le)多达1.5倍(bei)。

为(wei)了增加浪(lang)涌(yong)电流能(neng)力，并为(wei)电源应用(yong)提供更强(qiang)大的(de)(de)(de)器件，我们在(zai)第1代架(jia)构已进行改进并减少了调制(zhi)的(de)(de)(de)电导率(采用(yong)二极管(guan)正(zheng)向(xiang)电压(VF)测试(shi))，从而实现更高的(de)(de)(de)最大正(zheng)向(xiang)浪(lang)涌(yong)电流(IFSM)．其中通过优化实现的(de)(de)(de)P+区如图7所(suo)示。

改(gai)变二极(ji)管结构改(gai)善了电(dian)流密度和VF之间的(de)(de)关系(xi)，提高(gao)了奠电(dian)导(dao)率调制开(kai)始(shi)出现的(de)(de)电(dian)压，如8所示图。这样(yang)使(shi)器件(jian)有着较高(gao)IFSM．也使(shi)第(di)2代架构的(de)(de)IFSM优于第(di)1代器件(jian)。

结论：

电(dian)源设计人员的压(ya)力来(lai)(lai)自(zi)于致力于满(man)足更高(gao)能源效率、可(ke)靠(kao)性和小型化、越来(lai)(lai)越严格的成本约(yue)束(shu)等(deng)各方(fang)面(mian)的要求。此外，他们(men)也没有(you)太多可(ke)利用时间在(zai)设计中来(lai)(lai)考虑抑制(zhi)电(dian)磁(ci)干(gan)扰(rao)。

采用如具有低导通电阻和低噪声性能的功(gong)率MOSFET．以及低漏电(dian)流且高(gao)温度稳定性(xing)(xing)的(de)整流二(er)极管等最新(xin)功率(lv)半导(dao)体技术(shu)可有(you)效(xiao)提高(gao)设计成功率(lv)。最新(xin)一代超级(ji)结MOSFET和SiC二(er)极管具有(you)以上特性(xing)(xing)，且开关性(xing)(xing)能得到了(le)改进，具有(you)较强的(de)鲁棒性(xing)(xing)和可靠性(xing)(xing)，电(dian)流密(mi)度也得到了(le)提升，具有(you)经济意义的(de)价(jia)格使(shi)其可用(yong)于成本(ben)敏感的(de)功率(lv)变换(huan)应用(yong)中。

联(lian)系方式：邹先生

联(lian)系(xi)电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系(xi)地址：深圳市福(fu)田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座(zuo)5C1

关注(zhu)KIA半导体(ti)工程专辑请(qing)搜微信号:“KIA半导体(ti)”或点击本(ben)文下方图(tu)片扫一扫进入官(guan)方微信“关注(zhu)”

长按二维码识别关注