提高功率變換效率的技術(shù)趨勢(shì)

超級(jí)結(jié)MOSFET和SiC二極管的不斷發(fā)展給設(shè)計(jì)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(lái)了更多的自由。電源設(shè)計(jì)要求效率增益及更多其他要求

為了繼續(xù)提高如PFC和開(kāi)關(guān)電源等功率變換系統(tǒng)的工作效率，超級(jí)結(jié)MOSFET和寬禁帶的sic二極管已成為具有節(jié)能意識(shí)的設(shè)計(jì)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(jì)人員能夠同時(shí)減小電路尺寸和增大電流密度。隨著市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)，這些器件的應(yīng)用也在不斷增長(zhǎng)，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(duì)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(kāi)關(guān)的LLC轉(zhuǎn)換器等諧振開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很適用這些類(lèi)型的應(yīng)用。LLC電路的初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)如圖1所示(Ql和Q2為MOSFET)，現(xiàn)在大多數(shù)是采用超級(jí)結(jié)晶體管來(lái)構(gòu)建一個(gè)緊湊和高效節(jié)能的電源。

超級(jí)結(jié)晶體管的發(fā)展

超級(jí)結(jié)MOSFET使電源設(shè)計(jì)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?yàn)槠骷軜?gòu)柵極電荷／電容低，超級(jí)結(jié)MosFET也有著比傳統(tǒng)si晶體管更低的開(kāi)關(guān)損耗。

圖2‘給出了早期超級(jí)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(shuō)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(shí)現(xiàn)所需的擊穿電壓。

這類(lèi)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(duì)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(jìn)實(shí)現(xiàn)了單外延加工，給設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，其利用單外延加工的優(yōu)勢(shì)使器件間距減少了27%，同時(shí)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(jìn)一步提高。

單外延工藝也使超級(jí)結(jié)MOSFET對(duì)溫度變化時(shí)有著更穩(wěn)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(biāo)稱(chēng)導(dǎo)通電阻在溫度變化顯著時(shí)減少，在150℃時(shí)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(lái)，設(shè)計(jì)人員可以將具有低噪聲性能的超級(jí)結(jié)MOSFET用于功率變換器。DTMOSVFET也有著了低噪聲和高開(kāi)關(guān)性能的均衡比。這是通過(guò)改進(jìn)柵極結(jié)構(gòu)和模式來(lái)實(shí)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(jìng)爭(zhēng)的低EMI器件相媲美，同時(shí)該器件具有超級(jí)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(jī)電源中的PFC電路的第4代和第5代N溝道o．38m.Ω級(jí)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(jìn)SiC研究

由于補(bǔ)充了高效率，深槽溝超級(jí)結(jié)功率開(kāi)關(guān)帶來(lái)電流密度，與標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的魯棒性．且性價(jià)比也得到了提升。

SiC優(yōu)勢(shì)概括

SiC材料的特性使SiC肖特基勢(shì)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(duì)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(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(jí)，使650V和1200V器件能夠放置在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)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(jí)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(jìn)后的SiC SBD與標(biāo)準(zhǔn)Si SBD的結(jié)構(gòu)對(duì)比。

新一代SiC SBD

最新一代650V SiC SBD的主要目標(biāo)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(qiáng)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(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(dá)1.5倍。

為了增加浪涌電流能力，并為電源應(yīng)用提供更強(qiáng)大的器件，我們?cè)诘?代架構(gòu)已進(jìn)行改進(jìn)并減少了調(diào)制的電導(dǎo)率(采用二極管正向電壓(VF)測(cè)試)，從而實(shí)現(xiàn)更高的最大正向浪涌電流(IFSM)．其中通過(guò)優(yōu)化實(shí)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(kāi)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(jì)人員的壓力來(lái)自于致力于滿足更高能源效率、可靠性和小型化、越來(lái)越嚴(yán)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(shè)計(jì)中來(lái)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(jì)成功率。最新一代超級(jí)結(jié)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(qiáng)的魯棒性和可靠性，電流密度也得到了提升，具有經(jīng)濟(jì)意義的價(jià)格使其可用于成本敏感的功率變換應(yīng)用中。

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