超結MOSFET和Sic二極管 提高變換效率的技術(shù)趨勢
信息來(lái)源：本站 日期：2017-06-08
提高功率變換效率的技術(shù)趨勢
超級結MOSFET和SiC二極管的不斷發(fā)展給設計人員在優(yōu)化成本敏感的功率變換應用的性能和效率帶來(lái)了更多的自由。電源設計要求效率增益及更多其他要求
為了繼續提高如PFC和開(kāi)關(guān)電源等功率變換系統的工作效率，超級結MOSFET和寬禁帶的sic二極管已成為具有節能意識的設計人員所青睞的解決方案。這兩種技術(shù)使MOSFET導通電阻和二極管反向電壓等關(guān)鍵參數不變的情況下芯片尺寸更小，從而使設計人員能夠同時(shí)減小電路尺寸和增大電流密度。隨著(zhù)市場(chǎng)的不斷增長(cháng)，這些器件的應用也在不斷增長(cháng)，然而噪聲性能改進(jìn)等新的需求正在到來(lái)。
降低電磁噪聲的排放對如液晶電視、LED照明、醫療電源、筆記本電源適配器和平板電腦等高端設備的電源是十分必要的。
超級結晶體管的發(fā)展
超級結MOSFET使電源設計人員受益于其比常規平面SiMOSFET更低的導通損耗和更小芯片尺寸。因為器件架構柵極電荷／電容低，超級結MosFET也有著(zhù)比傳統si晶體管更低的開(kāi)關(guān)損耗。
圖2‘給出了早期超級結器件的結構，傳統上它一直使用多外延工藝制造。豐富的N區域摻雜說(shuō)明其比傳統平面晶體管有著(zhù)了更低的電阻．P型區包圍N溝道的架構可以實(shí)現所需的擊穿電壓。
這類(lèi)器件的N型結構和P型結構使用了多外延工藝加工，導致了其尺寸不夠理想，并對整體設備的尺寸有所影響。此外，多外延加工固有特性也制約了N溝道導通電阻最小化的程度。
深溝槽填充等制造工藝的改進(jìn)實(shí)現了單外延加工，給設計人員以更大的自由度來(lái)優(yōu)化N溝道及P溝道．進(jìn)一步降低導通電阻，同時(shí)減小MOSFET的尺寸。圖2b給出了東芝的DTMOSIV系列產(chǎn)品的結構，其利用單外延加工的優(yōu)勢使器件間距減少了27%，同時(shí)芯片單位面積導通電阻減少了30%。此外.DTMOSV基于深槽工藝．單元結構水平得到了進(jìn)一步提高。
單外延工藝也使超級結MOSFET對溫度變化時(shí)有著(zhù)更穩定的性能，這有助于在更高工作溫度時(shí)維持功率變換器的效率。圖3說(shuō)明了采用最新一代技術(shù)使器件標稱(chēng)導通電阻在溫度變化顯著(zhù)時(shí)減少，在150℃時(shí)導通電阻降低了12%。
DTMOS V FET滿(mǎn)足低EMI的要求
隨著(zhù)第5代DTMOSV器件的到來(lái)，設計人員可以將具有低噪聲性能的超級結MOSFET用于功率變換器。DTMOSVFET也有著(zhù)了低噪聲和高開(kāi)關(guān)性能的均衡比。這是通過(guò)改進(jìn)柵極結構和模式來(lái)實(shí)現的，也導致了柵極和漏極之間的反向傳輸電容(CRSS或CGD)增加。
這種器件產(chǎn)生的噪聲可與其他與之競爭的低EMI器件相媲美，同時(shí)該器件具有超級結技術(shù)的優(yōu)越導通電阻特性。圖4中比較了用于電視機電源中的PFC電路的第4代和第5代N溝道o．38m.Ω級600V器件產(chǎn)生的EMI．從結果看出新技術(shù)的采用顯著(zhù)降低了干擾。
整流二極管推進(jìn)SiC研究
由于補充了高效率，深槽溝超級結功率開(kāi)關(guān)帶來(lái)電流密度，與標準Si器件相比較，新一代sic=極管結合了優(yōu)越的能源效率與更大的電流密度、并有著(zhù)更高的額定電流和更強的魯棒性．且性?xún)r(jià)比也得到了提升。
SiC優(yōu)勢概括
SiC材料的特性使SiC肖特基勢壘二極管（SBD1有著(zhù)可媲美傳統Si器件的快速及溫度穩定的反向恢復性能，保證了其低損耗關(guān)斷性能。而常規SiSBD有著(zhù)相對高的溫度依賴(lài)的漏電流影響，如果不施加反向電壓降額，漏電流可導致其熱不穩定性。此外．SiC的寬帶隙特性允許與芯片尺寸相關(guān)的更高的電壓等級，使650V和1200V器件能夠放置在行業(yè)標準的表面貼封裝和通孑L封裝中。如圖5所示，這些特征的結合使得SiC=極管及如DTMOS lV x型器件等高速超級結MOSFET成為PFC等應用的理想器件。
圖5：最新SiC=極管與高速超級結MOSFET結合使用可提高PFC電路的效率。
圖6a和6b給出了結構改進(jìn)后的SiC SBD與標準Si SBD的結構對比。
新一代SiC SBD
最新一代650V SiC SBD的主要目標是有效提高性能并降低器件成本，提高最大正向電流浪涌能力，從而提供能夠適應苛刻應用條件的更強大的器件。
與大規模集成電路（LSI）半導體一樣，功率半導體的芯片尺寸是成本的關(guān)鍵部分。第2代SiCSBD架構的開(kāi)發(fā)主要集中在降低芯片厚度，最終減少了三分之二的芯片厚度，成本得以降低．同時(shí)電流密度也提高了多達1.5倍。
為了增加浪涌電流能力，并為電源應用提供更強大的器件，我們在第1代架構已進(jìn)行改進(jìn)并減少了調制的電導率(采用二極管正向電壓(VF)測試)，從而實(shí)現更高的最大正向浪涌電流(IFSM)．其中通過(guò)優(yōu)化實(shí)現的P+區如圖7所示。
改變二極管結構改善了電流密度和VF之間的關(guān)系，提高了奠電導率調制開(kāi)始出現的電壓，如8所示圖。這樣使器件有著(zhù)較高IFSM．也使第2代架構的IFSM優(yōu)于第1代器件。
結論：
電源設計人員的壓力來(lái)自于致力于滿(mǎn)足更高能源效率、可靠性和小型化、越來(lái)越嚴格的成本約束等各方面的要求。此外，他們也沒(méi)有太多可利用時(shí)間在設計中來(lái)考慮抑制電磁干擾。
采用如具有低導通電阻和低噪聲性能的功率MOSFET．以及低漏電流且高溫度穩定性的整流二極管等最新功率半導體技術(shù)可有效提高設計成功率。最新一代超級結MOSFET和SiC二極管具有以上特性，且開(kāi)關(guān)性能得到了改進(jìn)，具有較強的魯棒性和可靠性，電流密度也得到了提升，具有經(jīng)濟意義的價(jià)格使其可用于成本敏感的功率變換應用中。
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