小小的電源開(kāi)關(guān)可如何拯救世界

那么，這些器件和理想開(kāi)關(guān)之間的最大區(qū)別在哪里呢?首先，驅(qū)動(dòng)實(shí)際開(kāi)關(guān)需要一些能量。這個(gè)能量必需由柵極驅(qū)動(dòng)器提供。由于MOSFET和IGBT都代表著電容性負(fù)載，利用柵極電容，驅(qū)動(dòng)電壓和開(kāi)關(guān)頻率可計(jì)算出所需的功率。雙極型晶體管需要一個(gè)基極電流，而在IGBT中，這由柵極電壓的溝道提供，并流入負(fù)載。由于這個(gè)功率可能相當(dāng)高，目前只在極少數(shù)情況下開(kāi)關(guān)模式電源才采用雙極型晶體管。因?yàn)闁艠O是電容性負(fù)載，柵極驅(qū)動(dòng)器在開(kāi)關(guān)時(shí)可能產(chǎn)生高峰值電流。這些峰值電流與主要開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度直接有關(guān)，這種關(guān)系既有利也有弊。一般而言，由于器件在“線(xiàn)性”區(qū)域 (即在完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷之間) 花費(fèi)的時(shí)間越來(lái)越少，故需要快速的開(kāi)關(guān)，但電路中電流變化率dI/dt過(guò)快可能帶來(lái)有害的副作用，比如可能損壞開(kāi)關(guān)或其它元件的高峰值電壓。此外，快速開(kāi)關(guān)無(wú)可避免產(chǎn)生電磁輻射，為符合相關(guān)規(guī)范，這些輻射必需被過(guò)濾掉。

MOSFET或IGBT與理想開(kāi)關(guān)的另一個(gè)區(qū)別是，它們的導(dǎo)通阻抗不是零，因此會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。IGBT的情況更甚，器件上或多或少的恒定壓降都會(huì)在導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生損耗，在輕載時(shí)尤其嚴(yán)重。

第三個(gè)區(qū)別是，器件中的寄生電容會(huì)存儲(chǔ)能量，并正好在器件從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)時(shí)釋放能量，反之亦然。這些損耗可能相當(dāng)大，即使空載時(shí)也會(huì)產(chǎn)生功耗。

由于我們最初的目的是提高電源子系統(tǒng)的效率，故電源開(kāi)關(guān)的影響最大，這三大效應(yīng) (柵極驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗) 為我們提供了一條提高效率的路徑。那有什么新方法嗎?圖4顯示了從平面型到垂直和超結(jié)MOSFET等各種器件結(jié)構(gòu)上的路徑。

圖4 左圖為典型的平面型MOSFET，右圖是利用多外延層產(chǎn)生的超結(jié)MOSFET

不幸的是，摩爾定律在這里不再適用。由于光刻設(shè)備的改進(jìn)，器件結(jié)構(gòu)可被簡(jiǎn)化，相同面積上可集成更多的有源晶體管。不過(guò)存在兩個(gè)限制效應(yīng)：首先，電場(chǎng)必須保持在一定強(qiáng)度之下，否則器件結(jié)構(gòu)會(huì)內(nèi)部擊穿。其次，若器件加壓過(guò)大，需要以受控方式吸收能量，這不僅需要特定的結(jié)構(gòu)，還得有足夠的硅體積以避免器件毀壞。

但也并非沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)。由于晶體管單元 (通常按條狀排列) 尺寸的減小，導(dǎo)通阻抗可大幅度改善。因此，對(duì)于給定的RDSON 值，芯片尺寸要小得多，成本效益也更高，而且需要的柵極驅(qū)動(dòng)功率更低 (改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，減少柵極的內(nèi)部電容)?，F(xiàn)在，擊穿電壓600V、導(dǎo)通阻抗低于85毫歐的功率MOSFET (TO220封裝)已面市，其在特定點(diǎn)的功率損耗只是前幾代產(chǎn)品的二分之一。

另一項(xiàng)重大進(jìn)步是垂直晶體管中塊狀半導(dǎo)體材料阻抗的降低。在功率MOSFET中，反應(yīng)大部分都是發(fā)生在表面以下數(shù)微米內(nèi)，這一厚度正好是機(jī)械處理所需的，并允許損耗區(qū)域延伸到器件更深部分，但不超過(guò)最大電場(chǎng)強(qiáng)度。正因?yàn)榇?，業(yè)界的研發(fā)重點(diǎn)都集中在使晶圓更薄、改進(jìn)處理技術(shù)以去除電流路徑上的阻抗就不足為奇了。被稱(chēng)為“超結(jié)”MOSFET的最新器件結(jié)構(gòu)增加了器件的n摻雜，可進(jìn)一步減小這種阻抗，而且它又被大半器件引入的p摻雜所抵消掉，以保持總體電荷平衡。

至于IGBT，它運(yùn)用溝道技術(shù)來(lái)減小片上橫向隔離結(jié)構(gòu)的大小，有助于減小芯片面積，同時(shí)保持性能。但這些溝道必需支持很高的隔離電壓，故取得這一技術(shù)的進(jìn)步并不容易。結(jié)果是相比前幾代產(chǎn)品，導(dǎo)通損耗降低25%，開(kāi)關(guān)損耗降低8%。對(duì)于加熱應(yīng)用，由于普遍使用基于IGBT的感應(yīng)加熱器，其效率從40% (氣體) 左右提高到90%以上。

這種新器件將如何改變應(yīng)用前景呢?當(dāng)前，節(jié)能和相關(guān)新規(guī)范前所未有的重要?，F(xiàn)有電路和器件也可以滿(mǎn)足這些規(guī)范，但無(wú)法同時(shí)保持現(xiàn)有的成本水平。飛兆半導(dǎo)體推出的新電源開(kāi)關(guān)卻具有一流的性?xún)r(jià)比，能協(xié)助眾多研發(fā)工程師輕松應(yīng)對(duì)公司和客戶(hù)提出的提高電源子系統(tǒng)效率的挑戰(zhàn)。

必需注意的是，這些新的、尺寸更小的器件還能夠在多芯片封裝中真正實(shí)現(xiàn)功率子系統(tǒng)的高效集成，同時(shí)體現(xiàn)良好的功率級(jí)別。利用以往的技術(shù)，由于封裝的熱阻和過(guò)熱現(xiàn)象，功率總是頗為受限，這些解決方案并沒(méi)有起到什么作用。眼下情況正在改變，飛兆半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的一大批專(zhuān)門(mén)用于運(yùn)動(dòng)控制、感應(yīng)加熱和焊接應(yīng)用的IGBT模塊，以及超越FPS功率范圍的首款電源模塊都已開(kāi)始供貨，更多相關(guān)產(chǎn)品也將陸續(xù)推出。

改進(jìn)電源子系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)水平是可行的。開(kāi)發(fā)新的技術(shù)并確保它在所有可能環(huán)境中都能有效工作可能還需要好幾年的時(shí)間與數(shù)百萬(wàn)的資金，這可是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但卻是值得的，因?yàn)樵絹?lái)越多的產(chǎn)品開(kāi)始關(guān)注節(jié)能，為終端用戶(hù)節(jié)省成本，并且保護(hù)地球資源。您說(shuō)開(kāi)關(guān)還只是一個(gè)小小的開(kāi)關(guān)嗎?