技術(shù)知識：嵌入式功率系統(tǒng)的100V MOSFET器件

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)動電信或計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)。為了滿足市場對這些轉(zhuǎn)換器的需求，英飛凌科技推出了全新的100VMOSFET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(dǎo)通電阻。通過組合應(yīng)用低柵電荷、高開關(guān)速度、卓越的抗雪崩能力及改進(jìn)的體二極管(body-diode)特性，使這些器件適用于多種不同的應(yīng)用。

簡介

電信與計(jì)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帶來的挑戰(zhàn)。盡管功率要求不斷提高，但功率系統(tǒng)空間且保持不變。這些需求只有通過更高的系統(tǒng)效率來實(shí)現(xiàn)。

改進(jìn)可在不同的級別實(shí)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用更具挑戰(zhàn)性的工作條件 ——增加開關(guān)頻率甚至可以改變其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

帶有超低柵電荷的高速系列(HS系列)可進(jìn)一步將速度提升33%。

新型OptiMOS2 MOSFET的先進(jìn)理念

功率MOSFET的補(bǔ)償理念是在1998年上市的600V CoolMOSTM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(jìn)行補(bǔ)償。

對于擊穿電壓低于200V的應(yīng)用而言，溝道場極板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)的深溝道。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道底部的阻斷電壓。相應(yīng)地，以微米為單位的氧化物厚度也必須小心控制，避免底部溝道角落的氧化物過薄，并防止出現(xiàn)應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷。與標(biāo)準(zhǔn)MOS結(jié)構(gòu)不同(標(biāo)準(zhǔn)MOS結(jié)構(gòu)的電場呈線性下降，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，以降低導(dǎo)通電阻。實(shí)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(diǎn)的導(dǎo)通電阻。場極板和溝道柵MOSFET的組合應(yīng)用可帶來當(dāng)今市場上最低的電阻和最快的硅開關(guān)技術(shù)。

應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

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12V～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(jìn)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 OptiMOS2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OptiMOS2 100V技術(shù)在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都具有很強(qiáng)的競爭力。這種技術(shù)可在單一器件里同時實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)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(dǎo)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OptiMOS2 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(fù)載在電機(jī)控制及類似應(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(yù)見性事件所造成的故障，使這些器件處于雪崩狀態(tài)。可靠的抗雪崩能力確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，即使在這些糟糕狀況下。

在硅技術(shù)級，有兩種機(jī)制可以在雪崩期間提供電荷載體。

第一種機(jī)制與MOSFET中寄生npn晶體管的導(dǎo)通有關(guān)。這是一種非熱破壞，因?yàn)樗怯呻娏魍ㄟ^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(dǎo)通。該機(jī)制具有自動放大功能，可導(dǎo)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?yàn)橹灰_(dá)到臨界電流水平，即使是非常低的能量都足以破壞器件。

第二種機(jī)制與載體的雪崩產(chǎn)生相關(guān)。器件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)。器件中的能量耗散分布在漂移區(qū)。在該機(jī)制下，器件雪崩能力限制是由該器件吸收(熱)能量的能力決定的。這個故障機(jī)制被稱為熱破壞機(jī)制。

器件由于熱破壞而發(fā)生故障，并呈現(xiàn)出特有的特性。這里的推斷線與不同溫度下的平均故障電流值相對應(yīng)。與零電流線的交叉點(diǎn)標(biāo)志著器件的固有溫度，是器件抗雪崩能力的衡量指標(biāo)。

2.對動態(tài)導(dǎo)通的抗擾性

降低SMPS里的功率損耗最有效的方法就是將二次側(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?fù)浣Y(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(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)。其中最顯著的方面是動態(tài)導(dǎo)通。在硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)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