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简介
用户对于节能与小尺寸的需求,正不断推动功率转换区块的发展。AC/DC与DC/DC转换器拓朴的持续演进,也使得转换器的效率不断提升。功率MOSFET是功率转换器的核心部件,更是高效能设计的基本要素。MOSFET设计的改善,让电路设计者可更有效提升产品层级之性能:切换频率和其它关键参数的增加,则可使转换器的运作更有效率。这些高性能MOSFET设计甚至也有助于让电路设计人员完成原本无法实现的电路修改。
为因应这些需求,英飞凌于2006年推出OptiMOS 2 100V MOSFET,成为此电压范围内首款以电荷补偿技术实现的功率MOSFET,相较于传统设计,不但大大降低了导通电阻,同时也保留优越的切换特性。
OptiMOS 3系列不但进一步改善了整体设计,并将此技术延伸至更高电压范围的产品。OptiMOS3具有150V～250V电压范围内的最佳性能,并整合其他关键参数。新型产品具有低闸极电荷特性、高切换速度与绝佳的吸收突波耐受(avalancheruggedness),适合各种切换式电源供应(sMPS)应用,包括电信与服务器应用所需的高效率AC/DCSMPS与DC/DC转换器、D类放大器以及马达控制驱动器等等。
装置概念
功率MOSFET补偿原理的商用化,首见于1998年采用600V CoolMOS技术的产品。相较于传统功率MOSFET,之所以能大幅减少RDS(ON) xA,是由于使用位于p型柱状区的受体来补偿n型漂移区施体,如图1所不。
崩溃电压较低时,沟槽式电场板MOSFET是绝佳的选择。使用电场板可明显改善装置的性能。此装置由穿透大半n型漂移区的深沟槽所构成。经厚氧化层与n型漂移区隔离的绝缘源极电极做为电场板,并在阻断条件(bIocking conditions)下提供用以平衡漂移区施体的流动电荷,如图1所示。标准MOS架构的垂直电场呈线性减少,且最大电场强度存在于基体/漂移区的pn接面。这类装置不会产生侧向电场。在电场版装置中,另存在一组侧向电场分量,故空间电荷区主要朝侧向扩张。因此,垂直电场分布几乎固定,而同一崩溃电压下所需漂移区长度则大幅减少。同时,还可增加漂移区域的掺杂浓度。此两技术均可大幅减少导通电阻。
扩充产品的高阻断能力
由于发展出全新省空间、高效率的边缘终止型新架构,让OptiMOS 3系列可延伸至高达250V电压范围。
结合终止型架构与电荷补偿技术,可获得极低的RDS(on)以及绝佳的优值系数FOM=RDS(on)x QG。与现今性能次佳的竞争产品之比较如图2所示,说明这些技术能够提升装置性能。结合这些技术优势,装置便可为广泛的系统需求提供优越的解决方案。在马达控制等高电流应用中,以D2-Pak与TO-220封装的最低奥姆装置可将传导损耗降到最低,且会减少系统中并行装置的数量。在高速切换应用中,极低的闸极一汲极电荷QGD与FOMGD=RDS(on)xQGD可减少切换损,并提升整体效率。因此,对于DC/DC转换器或D类放大器等应用,使用SuperSO8封装的装置为最佳选择。此外,极低的导通电阻RDS(on)通常也可使封装更小。TO-247封装可由TO-220取代,而D2-Pak或TO-220则通常可由SuperSO8取代。综合以上优点,可获得极精巧、省空间的解决方案,并可大幅提升切换性能。
另一个重点为并行处理,特别是在马达控制等高电流应用中,要满足应用需求,最好使用完整的电源模块,可改善热管理并降低寄生电容,提升整体性能。在此,使用新一代的装置可明显减少装置数量。图3显示在电源模块中使用大型OptiMOS 3150V芯片进行并行处理的切换波形。此处的三相全桥式配置,是在一DCB基板上使用八个芯片并行处理,并将两个DCB并行。图3所示为80V电源供应与500A切换电流下,一相脚(phase leg)的切换运作。波形显示平滑的切换运作,断开期间的过冲电压在可接受范围内,未有任何问题。
选择适当的电源封装
随着硅晶技术不断进步,封装已成为低电压MOSFET中不可忽略的一部分。特别是封装电感会产生极大的损耗,并影响整体装置与应用性能。此外,最新装置技术的导通电阻已降至非常低,因此需使用低奥姆封装,以避免装置的性能因封装而受限。
现今大多数厂商的30V技术已可将MOSFET芯片以TO-220封装,但导通电组较封装电阻低。在封装电阻为100hm的条件下,市面上最新的60V技术所产生的封装电阻约占30%以下,即使是100V技术,封装电阻也可能占20%以上。因此,封装电阻明显限制了可实现的最低导通电阻。此外,在固定导通电阻的条件下,需使用较大的芯片,这也会增加闸极电荷并降低装置的切换速度。
图4显示针对最普遍,且具最大芯片尺寸之低压MOSFET类别,其封装占整体装置电阻的比例。要实现更密集且更有效率的功率转换器设计,低压MOSFET必须使用如SuperSO8、S308或DirectFET/CanPAK等新型封装来取代含铅SMD或通孔装置。
想要评估断开时封装电感所产生的损耗,方式相当简单。举例来说,输出电流为30A,以250kHz频率操作的降压转换器(buck-oonverter),使用DZ-Pak设计时会因6nH的总封装电感而产生0.7W的损耗。使用如SuperS08的低电感封装时,电感值仅为0.5nH,而损耗则可降至0.1w以下。较低的封装电感还有助于避免在高速瞬时下,因源极接脚电感而造成MOSFET非预期导通。
另一个与封装有关的重点为热散布,这可藉由改善标准封装或使用全新的封装类型来改善。如图5所示,使用7接脚DD2Pak来取代标准DD2Pak,即可避免热点并降低整体温度。supers08封装能带来更多优势。图6为7接脚DD2Pak装置与内含相等主动式硅晶面积之supers08装置的比较。除改善温度特性、缩小所占PCB面积外,superSO8封装还提供了顶部冷却机制,让使用者可进一步改善性能。总结
随着OptiMOs 3 200V～250V装置的推出,英飞凌的产品线现已涵盖从25V～250V的完整电压范围。就静态与动态损耗而言,OptiMOs 3在各电压范围中均为最顶级的技术,让用户可针对各种拓朴,设计出效率与功率密度均无可比拟的先进功率转换器。
参考文献
[1]R.Siemieniec, F. Hirler,A. Schlgl,M. Rsch. N. Soufi-Amlashi, J. Ropohl and U.Hiller. A new and rugged 100V power MOSFET,Proc. EPE-PEMC. 2006
[2]G. Deboy, M. Mrz, J,-P. Stengl,H. Strack, J. Tihanyi and H. Weber. A newgeneration of high voltage MOSFETs breaks thelimit line of silicon, Proc. IEDM, 683-685,1998
[3]R. Siemieniec, F. Hirler and C. Geissler.Space-saving edge-termination structures folvertical charge compensation devices, Proc. EPE,2009
用户对于节能与小尺寸的需求,正不断推动功率转换区块的发展。AC/DC与DC/DC转换器拓朴的持续演进,也使得转换器的效率不断提升。功率MOSFET是功率转换器的核心部件,更是高效能设计的基本要素。MOSFET设计的改善,让电路设计者可更有效提升产品层级之性能:切换频率和其它关键参数的增加,则可使转换器的运作更有效率。这些高性能MOSFET设计甚至也有助于让电路设计人员完成原本无法实现的电路修改。
为因应这些需求,英飞凌于2006年推出OptiMOS 2 100V MOSFET,成为此电压范围内首款以电荷补偿技术实现的功率MOSFET,相较于传统设计,不但大大降低了导通电阻,同时也保留优越的切换特性。
OptiMOS 3系列不但进一步改善了整体设计,并将此技术延伸至更高电压范围的产品。OptiMOS3具有150V～250V电压范围内的最佳性能,并整合其他关键参数。新型产品具有低闸极电荷特性、高切换速度与绝佳的吸收突波耐受(avalancheruggedness),适合各种切换式电源供应(sMPS)应用,包括电信与服务器应用所需的高效率AC/DCSMPS与DC/DC转换器、D类放大器以及马达控制驱动器等等。
装置概念
功率MOSFET补偿原理的商用化,首见于1998年采用600V CoolMOS技术的产品。相较于传统功率MOSFET,之所以能大幅减少RDS(ON) xA,是由于使用位于p型柱状区的受体来补偿n型漂移区施体,如图1所不。
崩溃电压较低时,沟槽式电场板MOSFET是绝佳的选择。使用电场板可明显改善装置的性能。此装置由穿透大半n型漂移区的深沟槽所构成。经厚氧化层与n型漂移区隔离的绝缘源极电极做为电场板,并在阻断条件(bIocking conditions)下提供用以平衡漂移区施体的流动电荷,如图1所示。标准MOS架构的垂直电场呈线性减少,且最大电场强度存在于基体/漂移区的pn接面。这类装置不会产生侧向电场。在电场版装置中,另存在一组侧向电场分量,故空间电荷区主要朝侧向扩张。因此,垂直电场分布几乎固定,而同一崩溃电压下所需漂移区长度则大幅减少。同时,还可增加漂移区域的掺杂浓度。此两技术均可大幅减少导通电阻。
扩充产品的高阻断能力
由于发展出全新省空间、高效率的边缘终止型新架构,让OptiMOS 3系列可延伸至高达250V电压范围。
结合终止型架构与电荷补偿技术,可获得极低的RDS(on)以及绝佳的优值系数FOM=RDS(on)x QG。与现今性能次佳的竞争产品之比较如图2所示,说明这些技术能够提升装置性能。结合这些技术优势,装置便可为广泛的系统需求提供优越的解决方案。在马达控制等高电流应用中,以D2-Pak与TO-220封装的最低奥姆装置可将传导损耗降到最低,且会减少系统中并行装置的数量。在高速切换应用中,极低的闸极一汲极电荷QGD与FOMGD=RDS(on)xQGD可减少切换损,并提升整体效率。因此,对于DC/DC转换器或D类放大器等应用,使用SuperSO8封装的装置为最佳选择。此外,极低的导通电阻RDS(on)通常也可使封装更小。TO-247封装可由TO-220取代,而D2-Pak或TO-220则通常可由SuperSO8取代。综合以上优点,可获得极精巧、省空间的解决方案,并可大幅提升切换性能。
另一个重点为并行处理,特别是在马达控制等高电流应用中,要满足应用需求,最好使用完整的电源模块,可改善热管理并降低寄生电容,提升整体性能。在此,使用新一代的装置可明显减少装置数量。图3显示在电源模块中使用大型OptiMOS 3150V芯片进行并行处理的切换波形。此处的三相全桥式配置,是在一DCB基板上使用八个芯片并行处理,并将两个DCB并行。图3所示为80V电源供应与500A切换电流下,一相脚(phase leg)的切换运作。波形显示平滑的切换运作,断开期间的过冲电压在可接受范围内,未有任何问题。
选择适当的电源封装
随着硅晶技术不断进步,封装已成为低电压MOSFET中不可忽略的一部分。特别是封装电感会产生极大的损耗,并影响整体装置与应用性能。此外,最新装置技术的导通电阻已降至非常低,因此需使用低奥姆封装,以避免装置的性能因封装而受限。
现今大多数厂商的30V技术已可将MOSFET芯片以TO-220封装,但导通电组较封装电阻低。在封装电阻为100hm的条件下,市面上最新的60V技术所产生的封装电阻约占30%以下,即使是100V技术,封装电阻也可能占20%以上。因此,封装电阻明显限制了可实现的最低导通电阻。此外,在固定导通电阻的条件下,需使用较大的芯片,这也会增加闸极电荷并降低装置的切换速度。
图4显示针对最普遍,且具最大芯片尺寸之低压MOSFET类别,其封装占整体装置电阻的比例。要实现更密集且更有效率的功率转换器设计,低压MOSFET必须使用如SuperSO8、S308或DirectFET/CanPAK等新型封装来取代含铅SMD或通孔装置。
想要评估断开时封装电感所产生的损耗,方式相当简单。举例来说,输出电流为30A,以250kHz频率操作的降压转换器(buck-oonverter),使用DZ-Pak设计时会因6nH的总封装电感而产生0.7W的损耗。使用如SuperS08的低电感封装时,电感值仅为0.5nH,而损耗则可降至0.1w以下。较低的封装电感还有助于避免在高速瞬时下,因源极接脚电感而造成MOSFET非预期导通。
另一个与封装有关的重点为热散布,这可藉由改善标准封装或使用全新的封装类型来改善。如图5所示,使用7接脚DD2Pak来取代标准DD2Pak,即可避免热点并降低整体温度。supers08封装能带来更多优势。图6为7接脚DD2Pak装置与内含相等主动式硅晶面积之supers08装置的比较。除改善温度特性、缩小所占PCB面积外,superSO8封装还提供了顶部冷却机制,让使用者可进一步改善性能。总结
随着OptiMOs 3 200V～250V装置的推出,英飞凌的产品线现已涵盖从25V～250V的完整电压范围。就静态与动态损耗而言,OptiMOs 3在各电压范围中均为最顶级的技术,让用户可针对各种拓朴,设计出效率与功率密度均无可比拟的先进功率转换器。
参考文献
[1]R.Siemieniec, F. Hirler,A. Schlgl,M. Rsch. N. Soufi-Amlashi, J. Ropohl and U.Hiller. A new and rugged 100V power MOSFET,Proc. EPE-PEMC. 2006
[2]G. Deboy, M. Mrz, J,-P. Stengl,H. Strack, J. Tihanyi and H. Weber. A newgeneration of high voltage MOSFETs breaks thelimit line of silicon, Proc. IEDM, 683-685,1998
[3]R. Siemieniec, F. Hirler and C. Geissler.Space-saving edge-termination structures folvertical charge compensation devices, Proc. EPE,2009