小小的電源開關可如何拯救世界(08-100)

　　那么，這些器件和理想開關之間的最大區(qū)別在哪里呢?首先，驅動實際開關需要一些能量。這個能量必需由柵極驅動器提供。由于MOSFET和IGBT都代表著電容性負載，利用柵極電容，驅動電壓和開關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，柵極驅動器在開關時可能產生高峰值電流。這些峰值電流與主要開關的開關速度直接有關，這種關系既有利也有弊。一般而言，由于器件在“線性”區(qū)域 (即在完全導通和完全關斷之間) 花費的時間越來越少，故需要快速的開關，但電路中電流變化率dI/dt過快可能帶來有害的副作用，比如可能損壞開關或其它元件的高峰值電壓。此外，快速開關無可避免產生電磁輻射，為符合相關規(guī)范，這些輻射必需被過濾掉。

　　MOSFET或IGBT與理想開關的另一個區(qū)別是，它們的導通阻抗不是零，因此會產生導通損耗。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，故電源開關的影響最大，這三大效應 (柵極驅動、開關和導通損耗) 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MOSFET等各種器件結構上的路徑。

　　圖4 左圖為典型的平面型MOSFET，右圖是利用多外延層產生的超結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，器件結構可被簡化，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，否則器件結構會內部擊穿。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構，還得有足夠的硅體積以避免器件毀壞。