1、理解超級結(jié)技術(shù)基于超級結(jié)技術(shù)的功率已成為高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的業(yè)界規(guī)范。它們提供更低的rds(on)，同時(shí)具有更少的柵極和和輸出電荷，這有助于在隨意給定頻率下保持更高的效率。在超級結(jié)mosfet浮現(xiàn)之前，高壓器件的主要設(shè)計(jì)平臺是基于平面技術(shù)。但高壓下的迅速開關(guān)會產(chǎn)生ac/dc電源和方面的挑戰(zhàn)。從平面對超級結(jié)mosfet過渡的設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常為了照看電磁干擾(emi)、尖峰及噪聲考慮而犧牲開關(guān)速度。本應(yīng)用指南將比較兩種平臺的特征，以便充分理解和用法超級結(jié)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。為了理解兩種技術(shù)的差異，我們需要從基礎(chǔ)開頭。圖1a顯示了一種傳統(tǒng)平面式高壓mosfet的容易結(jié)構(gòu)。平面式mosfet通常具有高單位芯片面

2、積漏源導(dǎo)通，并陪同相對更高的漏源電阻。用法高單元密度和大管芯尺寸可實(shí)現(xiàn)較低的rds(on)值。但大單元密度和管芯尺寸還陪同高柵極和輸出電荷，這會增強(qiáng)開關(guān)損耗和成本。另外還存在對于總硅片電阻能夠達(dá)到多低的限制。器件的總rds(on)可表示為通道、epi和襯底三個(gè)重量之和：rds(on) = rch + repi + rsub圖1a 傳統(tǒng)平面式mosfet結(jié)構(gòu)圖1b 平面式mosfet的電阻性元件圖1b顯示平面式mosfet狀況下構(gòu)成rds(on) 的各個(gè)重量。對于低壓mosfet，三個(gè)重量是相像的。但隨著額定電壓增強(qiáng)，外延層需要更厚和更輕摻雜，以阻斷高壓。額定電壓每增強(qiáng)一倍，維持相同的rds(o

3、n)所需的面積就增強(qiáng)為本來的五倍以上。對于額定電壓為600 v的mosfet，超過95%的電阻來自外延層。明顯，要想顯著減小rds(on)的值，就需要找到一種對漂移區(qū)舉行重?fù)诫s的辦法，并大幅減小epi電阻。圖2 超級結(jié)mosfet結(jié)構(gòu)圖3 平面和超級結(jié)mosfet的電壓與導(dǎo)通電阻比較圖2顯示了基于電荷平衡概念的超級結(jié)mosfet物理結(jié)構(gòu)。漂移區(qū)現(xiàn)在有多個(gè)p柱，用于消退處于反向偏壓下的周圍n區(qū)中的電荷。因此，nepi現(xiàn)在可更薄和重?fù)诫s，由于其組合結(jié)構(gòu)可對施加反向電壓提供高無數(shù)的電阻。因?yàn)閚區(qū)變得越發(fā)重?fù)诫s，所以其單位面積導(dǎo)通電阻減小。圖3比較了兩種技術(shù)的漂移區(qū)電場與epi厚度的關(guān)系。在傳統(tǒng)平面式

4、mosfet中，阻斷電壓由epi厚度和摻雜(nd+)定義，或由摻雜線的斜率定義。假如需要額外阻斷電壓，不僅epi需要更厚，而且epi摻雜線也需要轉(zhuǎn)變。這導(dǎo)致較高電壓mosfeet的rds(on)不成比例增強(qiáng)。額定電壓每增強(qiáng)一倍，在保持相同管芯尺寸條件下，rds(on)可能增至本來的三至五倍。對于給定的阻斷電壓，超級結(jié)mosfet可用法比傳統(tǒng)平面式器件(a1 + a3)更薄的epi(a1 + a2)。n區(qū)(nd+)的摻雜被p柱(na-)的摻雜抵消，導(dǎo)致沒有斜率。換言之，由于電荷平衡機(jī)制，定義阻斷電壓的惟獨(dú)epi厚度。因此，超級結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間存在線性關(guān)系。導(dǎo)通電阻隨著擊穿電壓的增強(qiáng)

5、而線性增強(qiáng)。對于相同的擊穿電壓和管芯尺寸，超級結(jié)mosfet的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)平面式器件。提供的超級結(jié)器件為e系列高壓mosfet，額定電壓范圍為500 v - 650 v。這些器件提供從小smt占位面積(如powerpak? so8和powerpak 8 x 8)到標(biāo)準(zhǔn)to-xxx封裝的各種封裝選項(xiàng)。典型比導(dǎo)通電阻的變幻范圍為20 m -cm2至10 m-cm2，詳細(xì)取決于擊穿電壓和用法哪一代技術(shù)。傳統(tǒng)平面式mosfet的導(dǎo)通電阻x 面積之積有三至五倍高，同樣取決于額定電壓。例如，to-220封裝600 v器件可實(shí)現(xiàn)的最低rds(on)為275 m，而來自vishay的同樣封裝超級結(jié)器件可

6、低至50 m。固然，對于每一代新的設(shè)計(jì)平臺，未來會提供具有更低rds(on)的更好器件。容值對超級結(jié)器件而言，電阻的減小會帶來顯然的益處，例如在相同rds(on)下的更低導(dǎo)通損耗或更小管芯。另外，芯片面積的減小會導(dǎo)致更低的容值以及柵極和輸出電荷，這可減小動(dòng)態(tài)損耗。在低壓溝槽式或平面式mosfet中，通常需要考慮以更高容值為讓步條件來降低rds(on)。在超級結(jié)技術(shù)狀況下，讓步程度是最小的。電荷平衡機(jī)制可同時(shí)減小rds(on)和器件容值，使之成為一種雙贏解決計(jì)劃。表1比較了具有臨近rds(on)值的兩種器件的特征。除eas和ias外，超級結(jié)器件的每個(gè)參數(shù)均實(shí)現(xiàn)15 % - 25 %的充實(shí)。這是由

7、于超級結(jié)器件雖然rds(on)只減小了20%，但其管芯尺寸惟獨(dú)平面式器件的三分之一。更小的尺寸會影響額定和功率。大管芯尺寸具有更低的電流密度和更好的散熱能力。因此，對于給定的導(dǎo)通電阻，傳統(tǒng)平面式mosfet天生比超級結(jié)器件更結(jié)實(shí)。但在通常用于高壓電源轉(zhuǎn)換器的電流和開關(guān)頻率下，超級結(jié)器件始終具有更低的損耗和更高的效率。表2顯示了500 v器件的比較。sihg32n50d是一款具有125 m?典型rds(on)額定值的平面式mosfet。其管芯尺寸大，事實(shí)上是適合to-247封裝的最大管芯。這可與采納更小的隔離式細(xì)引線to-220f封裝的超級結(jié)siha25n50e相比，后者提供相同的rds(on)

8、，但除uis結(jié)實(shí)性以外，規(guī)格表的每個(gè)參數(shù)都更好。應(yīng)該注重的是，vishay在式開關(guān)規(guī)格降額方面相當(dāng)保守，對測量故障電流施加100%的降額因子，相當(dāng)于針對uis能量eas的降額因子為4。圖4定義了提供有電荷規(guī)格的器件的容值。對于上文比較的兩種600 v器件，容值曲線5所示。請注重容值采納對數(shù)式標(biāo)度。圖4 mosfet容值定義圖5 平面式sihp17n60d和超級結(jié)sihp15n60e mosfet的容值比較柵極電荷考慮事項(xiàng)在任何開關(guān)中，柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)都要考慮開關(guān)速度與噪聲這一對沖突。超級結(jié)器件在高壓下提供高開關(guān)速度，這也需要特殊注重驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)不佳可能造成電壓尖峰、開關(guān)不穩(wěn)定和更高的emi。與超

9、低容值有關(guān)的另一個(gè)重要考慮是對耦合和噪聲的敏捷性增強(qiáng)，表現(xiàn)為柵源振蕩。設(shè)計(jì)工程師因此不得不通過引入高柵極電阻或低驅(qū)動(dòng)電流來減慢開關(guān)速度，終于使系統(tǒng)效率降低。圖4和圖5顯示了來自該應(yīng)用指南的柵極電荷曲線，它描繪了vds在柵極放電和充電時(shí)的升高和下降。通常，mosfet的qgd可用于估量開關(guān)期間vds電壓的升高和下降時(shí)光。假設(shè)用恒定電流源驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，則tvfall = qgd / igon，tvrise = qgd / igoff。這種容易模型不能用于超級結(jié)器件，超級結(jié)器件的結(jié)構(gòu)和開關(guān)行為更為復(fù)雜。例如，圖6顯示了sihp33n60e的柵極電荷曲線，vds曲線疊加于其上。與平面式器件相比，超級結(jié)mo

10、sfet的一個(gè)特征是其容值(vds的函數(shù))的寬變幻范圍。在超級結(jié)mosfet中，因?yàn)閏rss在0 v - 600 v范圍內(nèi)的100:1下降，所以觀看到的開關(guān)持續(xù)時(shí)光遠(yuǎn)小于從產(chǎn)品數(shù)據(jù)表qgd值估量得到的數(shù)據(jù)。雖然沒有分析辦法可用來預(yù)測實(shí)際過渡時(shí)光(這取決于應(yīng)用條件)，但設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該知道可用法更低柵極驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的開關(guān)性能。與平面式mosfet器件相比，這使超級結(jié)器件可用法尺寸更小、成本更低的柵極驅(qū)動(dòng)器。圖6 sihp15n60e的柵極電荷與vds關(guān)系曲線圖7 sihp15n60e的容值和儲存能量與vds關(guān)系曲線coss、co(tr)、co(er)和eoss圖5還顯示了超級結(jié)器件的coss

11、低近40%，導(dǎo)致更少的儲存能量和更快的開關(guān)速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低損耗。全部mosfet的輸出容值coss均表現(xiàn)出與施加電壓vds有關(guān)的非線性特征。這種非線性在超級結(jié)mosfet狀況下更顯著，具有100:1的變幻率，電壓值的范圍為0 v - 600 v。這給需要針對coss儲存電荷和能量有效值的設(shè)計(jì)工程師帶來了挑戰(zhàn)。超級結(jié)器件產(chǎn)品數(shù)據(jù)表通常提供針對coss的兩個(gè)有效值，定義如下：co(tr) - 定義固定的值，其在80%額定電壓下具有與可變coss相同的儲存電荷。co(er) - 定義固定電容的值，其在80%額定電壓下具有與可變coss相同的儲存能量。有幾項(xiàng)討論都強(qiáng)調(diào)了儲存能量eoss在不同工作條件

12、下對系統(tǒng)效率的影響。因?yàn)橐庾R到這一重要性，vishay已開頭提供針對全部高壓mosfet的完整eoss曲線，向來到圖7所示的額定電壓。體特征因?yàn)榫哂懈偷膔ds(on)和低容值，超級結(jié)mosfet還是包括zvs橋在內(nèi)的全部高頻開關(guān)應(yīng)用的器件之選。在zvs或同步應(yīng)用中，mosfet的體二極管不舉行硬式整流。二極管電流經(jīng)過軟式整流后流向mosfet通道，在mosfet關(guān)斷時(shí)二極管復(fù)原電壓阻斷功能。但這并不意味著可以想固然地認(rèn)為，在zvs橋應(yīng)用中，在包括瞬態(tài)大事在內(nèi)的全部工作條件下都具有二極管復(fù)原功能。更低的qrr、短勢壘周期和軟復(fù)原特征仍然是重要的要求。與平面式器件相比，超級結(jié)mosfet沒有qrr 和trr較低的優(yōu)點(diǎn)，因而更適合zvs應(yīng)用。但體二極管復(fù)原阻斷電壓的能力被認(rèn)為十分重要，所以應(yīng)該進(jìn)一步充實(shí)復(fù)原特征。意識到這一需要，vishay已推出ef系列超級結(jié)mosfet，在創(chuàng)造中采納額外的工藝，使體二極管的qrr減小了5-7倍。結(jié)論超級結(jié)結(jié)構(gòu)是高壓mosfet技術(shù)的重大進(jìn)展并具有顯著優(yōu)點(diǎn)