用作功率開(kāi)關(guān)的MOSFET

隨著(zhù)數十年來(lái)器件設計的不斷優(yōu)化，功率MOSFET晶體管帶來(lái)了新的電路拓撲和電源效率的提升。功率器件從電流驅動(dòng)變?yōu)殡妷候寗?dòng)，加快了這些產(chǎn)品的市場(chǎng)滲透速度。上世紀80年代，平面柵極功率MOSFET首度面向高壓器件，BVDSS電壓范圍達到500-600V，取得市場(chǎng)的成功。在這個(gè)時(shí)期，功率MOSFET的傳導損耗主要取決于溝道密度、結型場(chǎng)效應管(JFET)阻抗和外延阻抗(參見(jiàn)圖1)。隨著(zhù)半導體行業(yè)光刻設備越來(lái)越精密，提高了晶體管單元密度，傳導損耗因而得以改善。光刻設備能夠實(shí)現更高的單元密度，同時(shí)也促使功率MOSFET的BVDSS范圍成功地下降到100V以?xún)�，�?shí)現了新的汽車(chē)電子、電源和電機控制應用。高壓MOSFET的傳導損耗問(wèn)題也就轉移到外延設計之上。另一方面，MOSFET器件在降壓轉換器中的使用，以及更寬的電源電壓范圍(30V)要求，激發(fā)了市場(chǎng)對更高性能器件的需求。

 

圖1：平面功率MOSFET的導通阻抗元件

上世紀90年代初期平面功率MOSFET技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展之時(shí)，出現了一類(lèi)新型溝道柵極功率MOSFET，為低壓器件設立了新的性能標桿。這類(lèi)溝道MOSFET采用一種嵌入在溝道區域并細致地蝕刻到器件的柵極結構，使得溝道密度增加一倍(第一代產(chǎn)品就達到每平方英寸1200萬(wàn)個(gè)單元)。由于新技術(shù)能夠增加并行傳導通道的數量并減少JFET阻抗元件，因此使到傳導效率提高近30%。

器件設計人員面對的挑戰是：技術(shù)提升除了增加單元密度，因為柵極-漏極區域交疊面積和柵極-源極交疊面積增加，所以同時(shí)引起容抗和柵極電荷的增加。因此，器件設計人員一直希望通過(guò)結構創(chuàng )新來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗。飛兆半導體公司于1998年推出一種專(zhuān)為高效降壓轉換器而優(yōu)化的溝道柵極功率MOSFET，也就是第一代PowerTrench® 產(chǎn)品。如今PowerTrench®已經(jīng)過(guò)七代改進(jìn)優(yōu)化，演變?yōu)樽钚碌慕祲恨D換器部件。

針對同步整流拓撲的功率MOSFET優(yōu)化

隨著(zhù)首批微控制器開(kāi)始使用有別于計算機的標準5V或12V電源，功率MOSFET也開(kāi)始獲得廣泛應用。將直流電壓轉換成更低電壓的舊式降壓轉換器，成為低電壓開(kāi)關(guān)功率器件發(fā)展的應用驅動(dòng)力。而且開(kāi)發(fā)焦點(diǎn)也從AC-DC開(kāi)關(guān)電源和電機驅動(dòng)，轉向要求更嚴苛的處理器以及能滿(mǎn)足特定的供電要求的相關(guān)外設組件。

作為處理器電源的降壓轉換器隨即增配同步整流器以改善效率，并使用同步開(kāi)關(guān)功率MOSFET來(lái)補充并最終替代肖特基整流二極管，從而降低傳導損耗。而移動(dòng)計算技術(shù)的出現，對轉換器效率提出了更高求，進(jìn)而推動(dòng)了該技術(shù)的高度演進(jìn)，成為現代功率MOSFET中使用的模式。

在高技術(shù)水平下，易于確定對降壓轉換器MOSFET的要求。在大多數情況下，同步整流器或SyncFET™都在導通狀態(tài)下工作，并且其導通阻抗應當很小，以最大限度減少功耗。高側開(kāi)關(guān)MOSFET由直流電源驅動(dòng)，生成電脈沖，然后經(jīng)LC濾波器平滑處理成連續的電壓，再施加到負載上。因為MOSFET的主要損耗來(lái)自開(kāi)關(guān)動(dòng)作，而且導通時(shí)間很短，所以開(kāi)關(guān)器件速度要夠快，而且導通阻抗要夠小。開(kāi)關(guān)和整流兩個(gè)環(huán)節交替處于導通狀態(tài)，但導通時(shí)段不能重疊，否則電源和接地間便會(huì )形成所謂直通(shoot-through)，直接造成功率損耗。當開(kāi)關(guān)器件導通時(shí)，SyncFET™的漏極電壓瞬變將在柵極CGS上產(chǎn)生感應電流和電壓，其大小則取決于CGS和CGD的幅度及兩者的比率以及開(kāi)關(guān)瞬變速率。如果柵極電壓超過(guò)閾值，器件將再次導通，導致直通。所以只要CGS/CGD比率足夠大，便能夠防止漏極電壓瞬變誘發(fā)直通。

分析該技術(shù)演進(jìn)并明確MOSFET要求后，就能明白器件技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)因素。在圖2a的基本溝道柵極結構中，通過(guò)增加溝道的寬度/長(cháng)度比，便可以降低導通阻抗。而按圖2b所示在溝道底部延伸氧化層厚度，就能夠提高開(kāi)關(guān)速度和增大CGS/ CGD比率。最終的設定就如圖2c所示，在溝道的柵極下部額外嵌入一個(gè)電極，以增加漂移區電荷，從而降低導通阻抗；并且同時(shí)降低CGD，提高開(kāi)關(guān)速度，并改變CGS /CGD比率，藉此最大限度地防止直通。

 

圖2：a）傳統溝道柵極功率MOSFET；b）溝道底部氧化層加厚的溝道MOSFET；c）增添屏蔽電極的溝道MOSFET。

過(guò)去的數代器件，需要在低側同步整流器集成一個(gè)肖特基二極管，以降低MOSFET體二極管的死區時(shí)間(dead-time)傳導損耗，并控制體二極管反向恢復時(shí)產(chǎn)生的電壓瞬變。為了省去成本相對高昂的肖特基二極管，最新一代的產(chǎn)品采用二極管正向注入，以求最大限度地減小漏極屏蔽容抗，以及降低屏蔽阻抗等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，力爭抑制那些不利的電壓瞬變行為，如漏極電壓過(guò)沖(over-shoot)。

如圖3a和3b所示，新產(chǎn)品的電壓過(guò)沖和振蕩甚至大大低于采用集成肖特基部件的器件。SyncFET漏極電壓振蕩經(jīng)過(guò)阻尼抑制，使該類(lèi)應用中常見(jiàn)的EMI噪聲大大減少。該解決方案具有極其安靜的開(kāi)關(guān)特性，可以完全省去用來(lái)消除振蕩的外部緩沖電路。

圖3：安靜開(kāi)關(guān)行為(a)與傳統溝道產(chǎn)品開(kāi)關(guān)行為(b)的比較

由于器件技術(shù)不斷演進(jìn)，新產(chǎn)品也開(kāi)始百花齊放。這些產(chǎn)品通過(guò)降低MOSFET開(kāi)關(guān)的功耗來(lái)提高性能及電壓轉換器的最大輸出電流。目前，SyncFET通常使用三個(gè)毫歐級部件，使多相轉換器的每級輸出電流都達到30A以上。鑒于過(guò)去數代產(chǎn)品的部件之間存在封裝互連阻抗，而這種互連阻抗與當今PowerTrench產(chǎn)品的整體阻抗相接近，相比之下，這是一項卓越的成就。封裝互連阻抗降低了八倍，使過(guò)去10年來(lái)針對半導體阻抗取得四倍的改進(jìn)，結果使轉換器輸出電流增加了一倍。新產(chǎn)品在未來(lái)可達到的進(jìn)展還包括提高工作頻率，使到濾波電感和電容更小，進(jìn)而減少所用的電路板空間。

包含封裝的控制器和(或)驅動(dòng)電路以及功率開(kāi)關(guān)的多芯片模塊正在打進(jìn)諸如游戲機和便攜電腦之類(lèi)的消費電子產(chǎn)品市場(chǎng)。這些新型部件的優(yōu)勢包括減少電路板的寄生電感因素、避免了分立元件方案所產(chǎn)生的電壓瞬變，以及從轉換器剝奪功率的固有弱點(diǎn)，從而延長(cháng)電池壽命，降低工作溫度，減低輻射噪聲或EMI，并減小電路板尺寸。

封裝和MOSFET器件技術(shù)的進(jìn)步，大多來(lái)自于日益增多的仿真技術(shù)的使用，讓工程師能夠開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的解決方案。本文所述的半導體技術(shù)發(fā)展就依賴(lài)于器件的有限元模擬分析和應用的模擬分析，從而對半導體、封裝、柵極驅動(dòng)電路和電路板寄生因素間的相互影響有更深入的了解。仿真技術(shù)還能讓人們深入了解器件參數變化的工藝環(huán)節，找到最大限度消除這些變化的解決方案。

結論

要開(kāi)發(fā)針對高級電源的先進(jìn)功率器件并取得市場(chǎng)佳績(jì)，必須考慮和順應不斷演進(jìn)的應用需求。這需要針對應用中的所有元件進(jìn)行大量的優(yōu)化工作，包括功率器件的半導體芯片、封裝、電路板布局，以及轉換器的工作頻率。飛兆半導體公司認識到這一挑戰，并使用新的設計原則來(lái)開(kāi)發(fā)功率MOSFET。飛兆半導體在電源設計方面擁有的專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢，使其PowerTrench產(chǎn)品功能在業(yè)界穩占領(lǐng)先地位。