提高功率變換效率的技術(shù)趨勢

超級結(jié)MOSFET和SiC二極管的不斷發(fā)展給設(shè)計人員在優(yōu)化成本敏感的功率變換應(yīng)用的性能和效率帶來了更多的自由。電源設(shè)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(guān)電源等功率變換系統(tǒng)的工作效率，超級結(jié)MOSFET和寬禁帶的sic二極管已成為具有節(jié)能意識的設(shè)計人員所青睞的解決方案。這兩種技術(shù)使MOSFET導(dǎo)通電阻和二極管反向電壓等關(guān)鍵參數(shù)不變的情況下芯片尺寸更小，從而使設(shè)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(yīng)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(shè)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(guān)的LLC轉(zhuǎn)換器等諧振開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)很適用這些類型的應(yīng)用。LLC電路的初級側(cè)開關(guān)如圖1所示(Ql和Q2為MOSFET)，現(xiàn)在大多數(shù)是采用超級結(jié)晶體管來構(gòu)建一個緊湊和高效節(jié)能的電源。

超級結(jié)晶體管的發(fā)展

超級結(jié)MOSFET使電源設(shè)計人員受益于其比常規(guī)平面SiMOSFET更低的導(dǎo)通損耗和更小芯片尺寸。因為器件架構(gòu)柵極電荷／電容低，超級結(jié)MosFET也有著比傳統(tǒng)si晶體管更低的開關(guān)損耗。

圖2‘給出了早期超級結(jié)器件的結(jié)構(gòu)，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(gòu)可以實現(xiàn)所需的擊穿電壓。

這類器件的N型結(jié)構(gòu)和P型結(jié)構(gòu)使用了多外延工藝加工，導(dǎo)致了其尺寸不夠理想，并對整體設(shè)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)通電阻減少了30%。此外.DTMOSV基于深槽工藝．單元結(jié)構(gòu)水平得到了進一步提高。

單外延工藝也使超級結(jié)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(shù)使器件標稱導(dǎo)通電阻在溫度變化顯著時減少，在150℃時導(dǎo)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(shè)計人員可以將具有低噪聲性能的超級結(jié)MOSFET用于功率變換器。DTMOSVFET也有著了低噪聲和高開關(guān)性能的均衡比。這是通過改進柵極結(jié)構(gòu)和模式來實現(xiàn)的，也導(dǎo)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(jié)技術(shù)的優(yōu)越導(dǎo)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(jié)果看出新技術(shù)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(jié)功率開關(guān)帶來電流密度，與標準Si器件相比較，新一代sic=極管結(jié)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(fù)性能，保證了其低損耗關(guān)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(dǎo)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(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(jié)合使得SiC=極管及如DTMOS lV x型器件等高速超級結(jié)MOSFET成為PFC等應(yīng)用的理想器件。

圖5：最新SiC=極管與高速超級結(jié)MOSFET結(jié)合使用可提高PFC電路的效率。

圖6a和6b給出了結(jié)構(gòu)改進后的SiC SBD與標準Si SBD的結(jié)構(gòu)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(yīng)苛刻應(yīng)用條件的更強大的器件。

與大規(guī)模集成電路（LSI）半導(dǎo)體一樣，功率半導(dǎo)體的芯片尺寸是成本的關(guān)鍵部分。第2代SiCSBD架構(gòu)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(yīng)用提供更強大的器件，我們在第1代架構(gòu)已進行改進并減少了調(diào)制的電導(dǎo)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(jié)構(gòu)改善了電流密度和VF之間的關(guān)系，提高了奠電導(dǎo)率調(diào)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(gòu)的IFSM優(yōu)于第1代器件。

結(jié)論：

電源設(shè)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(shè)計中來考慮抑制電磁干擾。

采用如具有低導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)可有效提高設(shè)計成功率。最新一代超級結(jié)MOSFET和SiC二極管具有以上特性，且開關(guān)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(yīng)用中。

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