小小的電源開關(guān)可如何拯救世界

那么，這些器件和理想開關(guān)之間的最大區(qū)別在哪里呢?首先，驅(qū)動實際開關(guān)需要一些能量。這個能量必需由柵極驅(qū)動器提供。由于MOSFET和IGBT都代表著電容性負載，利用柵極電容，驅(qū)動電壓和開關(guān)頻率可計算出所需的功率。雙極型晶體管需要一個基極電流，而在IGBT中，這由柵極電壓的溝道提供，并流入負載。由于這個功率可能相當高，目前只在極少數(shù)情況下開關(guān)模式電源才采用雙極型晶體管。因為柵極是電容性負載，柵極驅(qū)動器在開關(guān)時可能產(chǎn)生高峰值電流。這些峰值電流與主要開關(guān)的開關(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“線性”區(qū)域 (即在完全導通和完全關(guān)斷之間) 花費的時間越來越少，故需要快速的開關(guān)，但電路中電流變化率dI/dt過快可能帶來有害的副作用，比如可能損壞開關(guān)或其它元件的高峰值電壓。此外，快速開關(guān)無可避免產(chǎn)生電磁輻射，為符合相關(guān)規(guī)范，這些輻射必需被過濾掉。

MOSFET或IGBT與理想開關(guān)的另一個區(qū)別是，它們的導通阻抗不是零，因此會產(chǎn)生導通損耗。IGBT的情況更甚，器件上或多或少的恒定壓降都會在導通狀態(tài)產(chǎn)生損耗，在輕載時尤其嚴重。

第三個區(qū)別是，器件中的寄生電容會存儲能量，并正好在器件從導通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)時釋放能量，反之亦然。這些損耗可能相當大，即使空載時也會產(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，故電源開關(guān)的影響最大，這三大效應 (柵極驅(qū)動、開關(guān)和導通損耗) 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。由于光刻設備的改進，器件結(jié)構(gòu)可被簡化，相同面積上可集成更多的有源晶體管。不過存在兩個限制效應：首先，電場必須保持在一定強度之下，否則器件結(jié)構(gòu)會內(nèi)部擊穿。其次，若器件加壓過大，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。

但也并非沒有優(yōu)點。由于晶體管單元 (通常按條狀排列) 尺寸的減小，導通阻抗可大幅度改善。因此，對于給定的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)動功率更低 (改進器件結(jié)構(gòu)，減少柵極的內(nèi)部電容)。現(xiàn)在，擊穿電壓600V、導通阻抗低于85毫歐的功率MOSFET (TO220封裝)已面市，其在特定點的功率損耗只是前幾代產(chǎn)品的二分之一。

另一項重大進步是垂直晶體管中塊狀半導體材料阻抗的降低。在功率MOSFET中，反應大部分都是發(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，但不超過最大電場強度。正因為此，業(yè)界的研發(fā)重點都集中在使晶圓更薄、改進處理技術(shù)以去除電流路徑上的阻抗就不足為奇了。被稱為“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，它運用溝道技術(shù)來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)的進步并不容易。結(jié)果是相比前幾代產(chǎn)品，導通損耗降低25%，開關(guān)損耗降低8%。對于加熱應用，由于普遍使用基于IGBT的感應加熱器，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用前景呢?當前，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足這些規(guī)范，但無法同時保持現(xiàn)有的成本水平。飛兆半導體推出的新電源開關(guān)卻具有一流的性價比，能協(xié)助眾多研發(fā)工程師輕松應對公司和客戶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現(xiàn)功率子系統(tǒng)的高效集成，同時體現(xiàn)良好的功率級別。利用以往的技術(shù)，由于封裝的熱阻和過熱現(xiàn)象，功率總是頗為受限，這些解決方案并沒有起到什么作用。眼下情況正在改變，飛兆半導體開發(fā)的一大批專門用于運動控制、感應加熱和焊接應用的IGBT模塊，以及超越FPS功率范圍的首款電源模塊都已開始供貨，更多相關(guān)產(chǎn)品也將陸續(xù)推出。

改進電源子系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)水平是可行的。開發(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間與數(shù)百萬的資金，這可是一項艱巨的任務，但卻是值得的，因為越來越多的產(chǎn)品開始關(guān)注節(jié)能，為終端用戶節(jié)省成本，并且保護地球資源。您說開關(guān)還只是一個小小的開關(guān)嗎?