提高功率變換效率的技術趨勢

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(xù)提高如PFC和開關電源等功率變換系統(tǒng)的工作效率，超級結MOSFET和寬禁帶的sic二極管已成為具有節(jié)能意識的設計人員所青睞的解決方案。這兩種技術使MOSFET導通電阻和二極管反向電壓等關鍵參數(shù)不變的情況下芯片尺寸更小，從而使設計人員能夠同時減小電路尺寸和增大電流密度。隨著市場的不斷增長，這些器件的應用也在不斷增長，然而噪聲性能改進等新的需求正在到來。

降低電磁噪聲的排放對如液晶電視、LED照明、醫(yī)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。

由于固有電磁輻射很低，零電壓開關的LLC轉換器等諧振開關拓撲結構很適用這些類型的應用。LLC電路的初級側開關如圖1所示(Ql和Q2為MOSFET)，現(xiàn)在大多數(shù)是采用超級結晶體管來構建一個緊湊和高效節(jié)能的電源。

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(guī)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也有著比傳統(tǒng)si晶體管更低的開關損耗。

圖2‘給出了早期超級結器件的結構，傳統(tǒng)上它一直使用多外延工藝制造。豐富的N區(qū)域摻雜說明其比傳統(tǒng)平面晶體管有著了更低的電阻．P型區(qū)包圍N溝道的架構可以實現(xiàn)所需的擊穿電壓。

這類器件的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實現(xiàn)了單外延加工，給設計人員以更大的自由度來優(yōu)化N溝道及P溝道．進一步降低導通電阻，同時減小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一步提高。

單外延工藝也使超級結MOSFET對溫度變化時有著更穩(wěn)定的性能，這有助于在更高工作溫度時維持功率變換器的效率。圖3說明了采用最新一代技術使器件標稱導通電阻在溫度變化顯著時減少，在150℃時導通電阻降低了12%。

DTMOS V FET滿足低EMI的要求

隨著第5代DTMOSV器件的到來，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也有著了低噪聲和高開關性能的均衡比。這是通過改進柵極結構和模式來實現(xiàn)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，同時該器件具有超級結技術的優(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．從結果看出新技術的采用顯著降低了干擾。

整流二極管推進SiC研究

由于補充了高效率，深槽溝超級結功率開關帶來電流密度，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、并有著更高的額定電流和更強的魯棒性．且性價比也得到了提升。

SiC優(yōu)勢概括

SiC材料的特性使SiC肖特基勢壘二極管（SBD1有著可媲美傳統(tǒng)Si器件的快速及溫度穩(wěn)定的反向恢復性能，保證了其低損耗關斷性能。而常規(guī)SiSBD有著相對高的溫度依賴的漏電流影響，如果不施加反向電壓降額，漏電流可導致其熱不穩(wěn)定性。此外．SiC的寬帶隙特性允許與芯片尺寸相關的更高的電壓等級，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(guī)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鍵部分。第2代SiCSBD架構的開發(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代架構已進行改進并減少了調制的電導率(采用二極管正向電壓(VF)測試)，從而實現(xiàn)更高的最大正向浪涌電流(IFSM)．其中通過優(yōu)化實現(xiàn)的P+區(qū)如圖7所示。

改變二極管結構改善了電流密度和VF之間的關系，提高了奠電導率調制開始出現(xiàn)的電壓，如8所示圖。這樣使器件有著較高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自于致力于滿足更高能源效率、可靠性和小型化、越來越嚴格的成本約束等各方面的要求。此外，他們也沒有太多可利用時間在設計中來考慮抑制電磁干擾。

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(wěn)定性的整流二極管等最新功率半導體技術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，且開關性能得到了改進，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)濟意義的價格使其可用于成本敏感的功率變換應用中。

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