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超结MOSFET和Sic二极管 提高变换效率的技术趋势

信息来源:本站 日期:2017-06-08 

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提高功率变换效率的技术趋势

超级结MOSFET和SiC二极管的不断发展给设计人员在优化成本敏感的功率变换应用的性能和效率带来了更多的自由。电源设计要求效率增益及更多其他要求

      为了继续提高如PFC和开关电源等功率变换系统的工作效率,超级结MOSFET和宽禁带的sic二极管已成为具有节能意识的设计人员所青睐的解决方案。这两种技术使MOSFET导通电阻和二极管反向电压等关键参数不变的情况下芯片尺寸更小,从而使设计人员能够同时减小电路尺寸和增大电流密度。随着市场的不断增长,这些器件的应用也在不断增长,然而噪声性能改进等新的需求正在到来。

   降低电磁噪声的排放对如液晶电视、LED照明、医疗电源、笔记本电源适配器和平板电脑等高端设备的电源是十分必要的。

由于固有电磁辐射很低,零电压开关的LLC转换器等谐振开关拓扑结构很适用这些类型的应用。LLC电路的初级侧开关如图1所示(Ql和Q2为MOSFET),现在大多数是采用超级结晶体管来构建一个紧凑和高效节能的电源。

   超级结晶体管的发展

   超级结MOSFET使电源设计人员受益于其比常规平面SiMOSFET更低的导通损耗和更小芯片尺寸。因为器件架构栅极电荷/电容低,超级结MosFET也有着比传统si晶体管更低的开关损耗。

   图2‘给出了早期超级结器件的结构,传统上它一直使用多外延工艺制造。丰富的N区域掺杂说明其比传统平面晶体管有着了更低的电阻.P型区包围N沟道的架构可以实现所需的击穿电压。

   这类器件的N型结构和P型结构使用了多外延工艺加工,导致了其尺寸不够理想,并对整体设备的尺寸有所影响。此外,多外延加工固有特性也制约了N沟道导通电阻最小化的程度。

   深沟槽填充等制造工艺的改进实现了单外延加工,给设计人员以更大的自由度来优化N沟道及P沟道.进一步降低导通电阻,同时减小MOSFET的尺寸。图2b给出了东芝的DTMOSIV系列产品的结构,其利用单外延加工的优势使器件间距减少了27%,同时芯片单位面积导通电阻减少了30%。此外.DTMOSV基于深槽工艺.单元结构水平得到了进一步提高。

   单外延工艺也使超级结MOSFET对温度变化时有着更稳定的性能,这有助于在更高工作温度时维持功率变换器的效率。图3说明了采用最新一代技术使器件标称导通电阻在温度变化显著时减少,在150℃时导通电阻降低了12%。

   DTMOS V FET满足低EMI的要求

   随着第5代DTMOSV器件的到来,设计人员可以将具有低噪声性能的超级结MOSFET用于功率变换器。DTMOSVFET也有着了低噪声和高开关性能的均衡比。这是通过改进栅极结构和模式来实现的,也导致了栅极和漏极之间的反向传输电容(CRSS或CGD)增加。

   这种器件产生的噪声可与其他与之竞争的低EMI器件相媲美,同时该器件具有超级结技术的优越导通电阻特性。图4中比较了用于电视机电源中的PFC电路的第4代和第5代N沟道o.38m.Ω级600V器件产生的EMI.从结果看出新技术的采用显著降低了干扰。

整流二极管推进SiC研究

   由于补充了高效率,深槽沟超级结功率开关带来电流密度,与标准Si器件相比较,新一代sic=极管结合了优越的能源效率与更大的电流密度、并有着更高的额定电流和更强的鲁棒性.且性价比也得到了提升。

SiC优势概括

   SiC材料的特性使SiC肖特基势垒二极管(SBD1有着可媲美传统Si器件的快速及温度稳定的反向恢复性能,保证了其低损耗关断性能。而常规SiSBD有着相对高的温度依赖的漏电流影响,如果不施加反向电压降额,漏电流可导致其热不稳定性。此外.SiC的宽带隙特性允许与芯片尺寸相关的更高的电压等级,使650V和1200V器件能够放置在行业标准的表面贴封装和通孑L封装中。如图5所示,这些特征的结合使得SiC=极管及如DTMOS lV x型器件等高速超级结MOSFET成为PFC等应用的理想器件

                                   图5:最新SiC=极管与高速超级结MOSFET结合使用可提高PFC电路的效率。

   图6a和6b给出了结构改进后的SiC SBD与标准Si SBD的结构对比。

新一代SiC SBD

   最新一代650V SiC SBD的主要目标是有效提高性能并降低器件成本,提高最大正向电流浪涌能力,从而提供能够适应苛刻应用条件的更强大的器件。

   与大规模集成电路(LSI)半导体一样,功率半导体的芯片尺寸是成本的关键部分。第2代SiCSBD架构的开发主要集中在降低芯片厚度,最终减少了三分之二的芯片厚度,成本得以降低.同时电流密度也提高了多达1.5倍。


   为了增加浪涌电流能力,并为电源应用提供更强大的器件,我们在第1代架构已进行改进并减少了调制的电导率(采用二极管正向电压(VF)测试),从而实现更高的最大正向浪涌电流(IFSM).其中通过优化实现的P+区如图7所示。

   改变二极管结构改善了电流密度和VF之间的关系,提高了奠电导率调制开始出现的电压,如8所示图。这样使器件有着较高IFSM.也使第2代架构的IFSM优于第1代器件。

结论:

   电源设计人员的压力来自于致力于满足更高能源效率、可靠性和小型化、越来越严格的成本约束等各方面的要求。此外,他们也没有太多可利用时间在设计中来考虑抑制电磁干扰。

   采用如具有低导通电阻和低噪声性能的功率MOSFET.以及低漏电流且高温度稳定性的整流二极管等最新功率半导体技术可有效提高设计成功率。最新一代超级结MOSFET和SiC二极管具有以上特性,且开关性能得到了改进,具有较强的鲁棒性和可靠性,电流密度也得到了提升,具有经济意义的价格使其可用于成本敏感的功率变换应用中。