高端準(zhǔn)諧振零壓開(kāi)關(guān)反激式轉(zhuǎn)換器中的ESBT技術(shù)
加入技術(shù)交流群
發(fā)射極開(kāi)關(guān)(Emitter Switching)研究的目的是在開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間找到最佳平衡點(diǎn)(主要是高壓應(yīng)用)。發(fā)射極開(kāi)關(guān)的主要結(jié)構(gòu)包括一個(gè)高壓功率雙極晶體管以及驅(qū)動(dòng)這個(gè)雙極管的低壓功率MOSFET晶體管。這兩個(gè)晶體管串聯(lián)在一起，如圖1所示。這個(gè)結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)電源：第一個(gè)電源給功率雙極晶體管的基極供應(yīng)電流，第二個(gè)電源供給功率MOSFET的柵極。雖然功率雙極晶體管的基極不需要適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路，但是使功率雙極晶體管飽和還需要給基極施加適當(dāng)?shù)钠珘?，所以主要的傳?dǎo)損耗是VCE(sat)損耗與功率雙極晶體管輸入損耗之和。
如果關(guān)閉功率MOSFET晶體管的電源，泄漏電流會(huì)立即降至零，這樣輸出電流就會(huì)通過(guò)晶體管的基極將電流通路改為接地，這個(gè)過(guò)程持續(xù)到所有少數(shù)載流子全都移出這個(gè)區(qū)域而且雙極晶體管結(jié)構(gòu)自動(dòng)關(guān)斷為止。這個(gè)關(guān)斷特性導(dǎo)致基極內(nèi)貯存的電荷被快速移除，從而降低了貯存時(shí)間，最重要的是，這種結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有雙極晶體管固有的尾電流特性。這種配置通過(guò)提高二次側(cè)抗擊穿電壓的能力，擴(kuò)大了反向工作區(qū)的安全極限。事實(shí)上，因?yàn)榘l(fā)射極是開(kāi)路，在發(fā)射極下幾乎不存在電流阻塞現(xiàn)象(電流阻塞可能會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn))。
如圖2所示，發(fā)射極和基極區(qū)分別使用了兩個(gè)埋層。事實(shí)上，因?yàn)锽JT晶體管的發(fā)射極恰好與低壓功率MOSFET晶體管的漏極位于同一區(qū)域，要想BJT實(shí)現(xiàn)所需的電流能力和增益，要想功率MOSFET晶體管實(shí)現(xiàn)所需的擊穿電壓，就必須對(duì)埋層進(jìn)行合理選擇。因此在高阻率的埋層上擴(kuò)散一個(gè)DMOS結(jié)構(gòu)，覆蓋高度摻雜的發(fā)射極區(qū)域(N-BL)。從擴(kuò)散層和沉積層角度看，即便DMOS結(jié)構(gòu)的布局與雙極晶體管的發(fā)射極幾何形狀匹配，DMOS結(jié)構(gòu)也與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)低壓功率MOSET晶體管的結(jié)構(gòu)十分類似。最后，把基極觸點(diǎn)放置在擴(kuò)散層上，深度需達(dá)到基極埋層(P-BL)。需要指出的是，基極觸點(diǎn)下面的P阱區(qū)與集成的DMOS共同構(gòu)成一個(gè)多余的橫向寄生絕緣柵雙極晶體管IGBT。事實(shí)上，因?yàn)榘l(fā)射極開(kāi)關(guān)配置的特性(基極總是被施加一個(gè)恒壓)，這個(gè)IGBT總是導(dǎo)通狀態(tài)，因此，大大降低了ESBT的電流處理性能。為了防止這種有害現(xiàn)象，需要增加一個(gè)摻雜度、尺寸和距DMOS距離適中的深阱。
準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浜陀肊SBT實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用
在高端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域取得成功后，我們將ESBT的研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低端應(yīng)用，如筆記本電腦適配器、打印機(jī)電源和液晶電視的開(kāi)關(guān)電源。采用反激式變換器在QR(準(zhǔn)諧振模式下)工作是提高能效的最主要和最簡(jiǎn)單的方法之一。QR反激式轉(zhuǎn)換器是變頻式標(biāo)準(zhǔn)反激式轉(zhuǎn)換器。采用這種拓?fù)溆袔讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：QR方法利用本來(lái)有害的寄生漏電容產(chǎn)生一個(gè)將開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗降至最低限度的零壓條件。
變頻操作是這種功能固有的。主要優(yōu)點(diǎn)與傳導(dǎo)的EMI有關(guān)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，QR反激式結(jié)構(gòu)的工作原理是進(jìn)行所謂的谷值開(kāi)關(guān)，即在磁芯退磁后發(fā)生諧振期間內(nèi)在最低電壓下導(dǎo)通。根據(jù)方程式Eon= CV2計(jì)算導(dǎo)通損耗，其V是導(dǎo)通電壓，C是寄生電容。最好是開(kāi)關(guān)在零壓下導(dǎo)通。只要選擇反激電壓等于輸入電壓即可實(shí)現(xiàn)零壓開(kāi)關(guān)。然而這種配置會(huì)給芯片帶來(lái)很大的電壓應(yīng)力，對(duì)于一個(gè)正常的離線轉(zhuǎn)換器，在變壓器正常泄漏電感條件下，這個(gè)電壓可達(dá)到1200V(如果沒(méi)有箝位電路)。無(wú)論額定電壓和電流如何，ESBT的電壓降都很低，而且開(kāi)關(guān)性能十分優(yōu)異，所以ESBT是成本效益最高的轉(zhuǎn)換器解決方案。
我們對(duì)一個(gè)180W、19V單輸出適配器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，把主開(kāi)關(guān)的600W功率MOSFET晶體管改成1200V的ESBT晶體管，并去除了原設(shè)計(jì)中的箝位網(wǎng)絡(luò)。功率MOSFET電壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于額定擊穿電壓，因此可能會(huì)產(chǎn)生雪崩和不安全的工作狀況。選擇600V擊穿電壓是因?yàn)樾枰獦O低的RDS(on)(高能效)。為了證明使用ESBT后能夠達(dá)到更高的性能和安全性，我們?nèi)コ梭槲痪W(wǎng)絡(luò)，并增加了基極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，因?yàn)榉鍓菏?00V，所以一個(gè)1200V的ESBT就夠用了。在正常工作條件下，ESBT的外殼溫度達(dá)到48℃。測(cè)試結(jié)果證明低VCE(sat)和高速開(kāi)關(guān)性能將功耗降低6W，把總能效提高3%。
進(jìn)一步改進(jìn)方案
經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)變壓器，提高反激電壓，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。在后一個(gè)案例中，使用一個(gè)1.5kV的ESBT，功率開(kāi)關(guān)可以承受1300V的超高電壓應(yīng)力。在后一個(gè)案例分析中，如果采用相同的散熱器，ESBT的工作溫度比任何其它情況都低(42℃)。因?yàn)樵驯劝l(fā)生變化，轉(zhuǎn)換器二次側(cè)的應(yīng)力被大幅度降低，因?yàn)槭褂昧送秸麟娐?，所以可以用一個(gè)價(jià)格更低的性能更高的60V場(chǎng)效應(yīng)晶體管替代100V的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
發(fā)射極開(kāi)關(guān)(Emitter Switching)研究的目的是在開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗之間找到最佳平衡點(diǎn)(主要是高壓應(yīng)用)。發(fā)射極開(kāi)關(guān)的主要結(jié)構(gòu)包括一個(gè)高壓功率雙極晶體管以及驅(qū)動(dòng)這個(gè)雙極管的低壓功率MOSFET晶體管。這兩個(gè)晶體管串聯(lián)在一起，如圖1所示。這個(gè)結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)電源：第一個(gè)電源給功率雙極晶體管的基極供應(yīng)電流，第二個(gè)電源供給功率MOSFET的柵極。雖然功率雙極晶體管的基極不需要適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路，但是使功率雙極晶體管飽和還需要給基極施加適當(dāng)?shù)钠珘?，所以主要的傳?dǎo)損耗是VCE(sat)損耗與功率雙極晶體管輸入損耗之和。
如果關(guān)閉功率MOSFET晶體管的電源，泄漏電流會(huì)立即降至零，這樣輸出電流就會(huì)通過(guò)晶體管的基極將電流通路改為接地，這個(gè)過(guò)程持續(xù)到所有少數(shù)載流子全都移出這個(gè)區(qū)域而且雙極晶體管結(jié)構(gòu)自動(dòng)關(guān)斷為止。這個(gè)關(guān)斷特性導(dǎo)致基極內(nèi)貯存的電荷被快速移除，從而降低了貯存時(shí)間，最重要的是，這種結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有雙極晶體管固有的尾電流特性。這種配置通過(guò)提高二次側(cè)抗擊穿電壓的能力，擴(kuò)大了反向工作區(qū)的安全極限。事實(shí)上，因?yàn)榘l(fā)射極是開(kāi)路，在發(fā)射極下幾乎不存在電流阻塞現(xiàn)象(電流阻塞可能會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn))。
如圖2所示，發(fā)射極和基極區(qū)分別使用了兩個(gè)埋層。事實(shí)上，因?yàn)锽JT晶體管的發(fā)射極恰好與低壓功率MOSFET晶體管的漏極位于同一區(qū)域，要想BJT實(shí)現(xiàn)所需的電流能力和增益，要想功率MOSFET晶體管實(shí)現(xiàn)所需的擊穿電壓，就必須對(duì)埋層進(jìn)行合理選擇。因此在高阻率的埋層上擴(kuò)散一個(gè)DMOS結(jié)構(gòu)，覆蓋高度摻雜的發(fā)射極區(qū)域(N-BL)。從擴(kuò)散層和沉積層角度看，即便DMOS結(jié)構(gòu)的布局與雙極晶體管的發(fā)射極幾何形狀匹配，DMOS結(jié)構(gòu)也與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)低壓功率MOSET晶體管的結(jié)構(gòu)十分類似。最后，把基極觸點(diǎn)放置在擴(kuò)散層上，深度需達(dá)到基極埋層(P-BL)。需要指出的是，基極觸點(diǎn)下面的P阱區(qū)與集成的DMOS共同構(gòu)成一個(gè)多余的橫向寄生絕緣柵雙極晶體管IGBT。事實(shí)上，因?yàn)榘l(fā)射極開(kāi)關(guān)配置的特性(基極總是被施加一個(gè)恒壓)，這個(gè)IGBT總是導(dǎo)通狀態(tài)，因此，大大降低了ESBT的電流處理性能。為了防止這種有害現(xiàn)象，需要增加一個(gè)摻雜度、尺寸和距DMOS距離適中的深阱。
準(zhǔn)諧振反激式拓?fù)浜陀肊SBT實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用
在高端工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域取得成功后，我們將ESBT的研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向低端應(yīng)用，如筆記本電腦適配器、打印機(jī)電源和液晶電視的開(kāi)關(guān)電源。采用反激式變換器在QR(準(zhǔn)諧振模式下)工作是提高能效的最主要和最簡(jiǎn)單的方法之一。QR反激式轉(zhuǎn)換器是變頻式標(biāo)準(zhǔn)反激式轉(zhuǎn)換器。采用這種拓?fù)溆袔讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：QR方法利用本來(lái)有害的寄生漏電容產(chǎn)生一個(gè)將開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗降至最低限度的零壓條件。
變頻操作是這種功能固有的。主要優(yōu)點(diǎn)與傳導(dǎo)的EMI有關(guān)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，QR反激式結(jié)構(gòu)的工作原理是進(jìn)行所謂的谷值開(kāi)關(guān)，即在磁芯退磁后發(fā)生諧振期間內(nèi)在最低電壓下導(dǎo)通。根據(jù)方程式Eon= CV2計(jì)算導(dǎo)通損耗，其V是導(dǎo)通電壓，C是寄生電容。最好是開(kāi)關(guān)在零壓下導(dǎo)通。只要選擇反激電壓等于輸入電壓即可實(shí)現(xiàn)零壓開(kāi)關(guān)。然而這種配置會(huì)給芯片帶來(lái)很大的電壓應(yīng)力，對(duì)于一個(gè)正常的離線轉(zhuǎn)換器，在變壓器正常泄漏電感條件下，這個(gè)電壓可達(dá)到1200V(如果沒(méi)有箝位電路)。無(wú)論額定電壓和電流如何，ESBT的電壓降都很低，而且開(kāi)關(guān)性能十分優(yōu)異，所以ESBT是成本效益最高的轉(zhuǎn)換器解決方案。
我們對(duì)一個(gè)180W、19V單輸出適配器進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，把主開(kāi)關(guān)的600W功率MOSFET晶體管改成1200V的ESBT晶體管，并去除了原設(shè)計(jì)中的箝位網(wǎng)絡(luò)。功率MOSFET電壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于額定擊穿電壓，因此可能會(huì)產(chǎn)生雪崩和不安全的工作狀況。選擇600V擊穿電壓是因?yàn)樾枰獦O低的RDS(on)(高能效)。為了證明使用ESBT后能夠達(dá)到更高的性能和安全性，我們?nèi)コ梭槲痪W(wǎng)絡(luò)，并增加了基極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，因?yàn)榉鍓菏?00V，所以一個(gè)1200V的ESBT就夠用了。在正常工作條件下，ESBT的外殼溫度達(dá)到48℃。測(cè)試結(jié)果證明低VCE(sat)和高速開(kāi)關(guān)性能將功耗降低6W，把總能效提高3%。
評(píng)論