理解超級(jí)結(jié)技術(shù)

基于超級(jí)結(jié)技術(shù)的功率MOSFET已成為高壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的業(yè)界規(guī)范。它們提供更低的R_DS(on)，同時(shí)具有更少的柵極和和輸出電荷，這有助于在任意給定頻率下保持更高的效率。在超級(jí)結(jié)MOSFET出現(xiàn)之前，高壓器件的主要設(shè)計(jì)平臺(tái)是基于平面技術(shù)。但高壓下的快速開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生AC/DC電源和逆變器方面的挑戰(zhàn)。從平面向超級(jí)結(jié)MOSFET過(guò)渡的設(shè)計(jì)工程師常常為了照顧電磁干擾（EMI）、尖峰電壓及噪聲考慮而犧牲開(kāi)關(guān)速度。本應(yīng)用指南將比較兩種平臺(tái)的特征，以便充分理解和使用超級(jí)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(kāi)始。圖1a顯示了一種傳統(tǒng)平面式高壓MOSFET的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。平面式MOSFET通常具有高單位芯片面積漏源導(dǎo)通電阻，并伴隨相對(duì)更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實(shí)現(xiàn)較低的R_DS(on)值。但大單元密度和管芯尺寸還伴隨高柵極和輸出電荷，這會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗和成本。另外還存在對(duì)于總硅片電阻能夠達(dá)到多低的限制。器件的總R_DS(on)可表示為通道、epi和襯底三個(gè)分量之和：

R_DS(on) = R_ch + R_epi + R_sub

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情況下構(gòu)成R_DS(on) 的各個(gè)分量。對(duì)于低壓MOSFET，三個(gè)分量是相似的。但隨著額定電壓增加，外延層需要更厚和更輕摻雜，以阻斷高壓。額定電壓每增加一倍，維持相同的R_DS(on)所需的面積就增加為原來(lái)的五倍以上。對(duì)于額定電壓為600 V的MOSFET，超過(guò)95%的電阻來(lái)自外延層。顯然，要想顯著減小R_DS(on)的值，就需要找到一種對(duì)漂移區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s的方法，并大幅減小epi電阻。

圖2 – 超級(jí)結(jié)MOSFET結(jié)構(gòu)

圖3 – 平面和超級(jí)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(jí)結(jié)MOSFET物理結(jié)構(gòu)。漂移區(qū)現(xiàn)在有多個(gè)P柱，用于消除處于反向偏壓下的周?chē)鶱區(qū)中的電荷。因此，N_epi現(xiàn)在可更薄和重?fù)诫s，因?yàn)槠浣M合結(jié)構(gòu)可對(duì)施加反向電壓提供高很多的電阻。由于N區(qū)變得更加重?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(chǎng)與epi厚度的關(guān)系。在傳統(tǒng)平面式MOSFET中，阻斷電壓由epi厚度和摻雜（N_D+）定義，或由摻雜線(xiàn)的斜率定義。如果需要額外阻斷電壓，不僅epi需要更厚，而且epi摻雜線(xiàn)也需要改變。這導(dǎo)致較高電壓MOSFEET的R_DS(on)不成比例增加。額定電壓每增加一倍，在保持相同管芯尺寸條件下，R_DS(on)可能增至原來(lái)的三至五倍。

對(duì)于給定的阻斷電壓，超級(jí)結(jié)MOSFET可使用比傳統(tǒng)平面式器件（A1 + A3）更薄的epi（A1 + A2）。N區(qū)（N_D+）的摻雜被P柱（N_A-）的摻雜抵消，導(dǎo)致沒(méi)有斜率。換言之，因?yàn)殡姾善胶鈾C(jī)制，定義阻斷電壓的只有epi厚度。因此，超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間存在線(xiàn)性關(guān)系。導(dǎo)通電阻隨著擊穿電壓的增加而線(xiàn)性增加。對(duì)于相同的擊穿電壓和管芯尺寸，超級(jí)結(jié)MOSFET的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)平面式器件。

Vishay提供的超級(jí)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)通電阻的變化范圍為20 mΩ -cm²至10 mΩ-cm²，具體取決于擊穿電壓和使用哪一代技術(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R_DS(on)為275 mΩ，而來(lái)自Vishay的同樣封裝超級(jí)結(jié)器件可低至50 mΩ。當(dāng)然，對(duì)于每一代新的設(shè)計(jì)平臺(tái)，將來(lái)會(huì)提供具有更低R_DS(on)的更好器件。

對(duì)超級(jí)結(jié)器件而言，電阻的減小會(huì)帶來(lái)明顯的好處，例如在相同R_DS(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(huì)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(lái)降低R_DS(on)。在超級(jí)結(jié)技術(shù)情況下，讓步程度是最小的。電荷平衡機(jī)制可同時(shí)減小R_DS(on)和器件容值，使之成為一種雙贏解決方案。

表1比較了具有接近R_DS(on)值的兩種器件的特征。除E_as和I_as外，超級(jí)結(jié)器件的每個(gè)參數(shù)均實(shí)現(xiàn)15 % - 25 %的改善。這是因?yàn)槌?jí)結(jié)器件雖然R_DS(on)只減小了20%，但其管芯尺寸只有平面式器件的三分之一。更小的尺寸會(huì)影響額定電流和功率。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(duì)于給定的導(dǎo)通電阻，傳統(tǒng)平面式MOSFET天生比超級(jí)結(jié)器件更堅(jiān)固。但在通常用于高壓電源轉(zhuǎn)換器的電流和開(kāi)關(guān)頻率下，超級(jí)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R_DS(on)額定值的平面式MOSFET。其管芯尺寸大，實(shí)際上是適合TO-247封裝的最大管芯。這可與采用更小的隔離式細(xì)引線(xiàn)TO-220F封裝的超級(jí)結(jié)SiHA25N50E相比，后者提供相同的R_DS(on)，但除UIS堅(jiān)固性以外，規(guī)格表的每個(gè)參數(shù)都更好。應(yīng)當(dāng)注意的是，Vishay在電感式開(kāi)關(guān)規(guī)格降額方面相當(dāng)保守，對(duì)測(cè)量故障電流施加100%的降額因子，相當(dāng)于針對(duì)UIS能量E_as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(duì)于上文比較的兩種600 V器件，容值曲線(xiàn)如圖5所示。請(qǐng)注意容值采用對(duì)數(shù)式標(biāo)度。

圖4 – MOSFET容值定義

圖5 – 平面式SiHP17N60D和超級(jí)結(jié)SiHP15N60E MOSFET的容值比較

在任何開(kāi)關(guān)電路中，柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)都要考慮開(kāi)關(guān)速度與噪聲這一對(duì)矛盾。超級(jí)結(jié)器件在高壓下提供高開(kāi)關(guān)速度，這也需要特別注意驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)不佳可能造成電壓尖峰、開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定和更高的EMI。與超低容值有關(guān)的另一個(gè)重要考慮是對(duì)耦合和噪聲的靈敏性增加，表現(xiàn)為柵源振蕩。設(shè)計(jì)工程師因此不得不通過(guò)引入高柵極電阻或低驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減慢開(kāi)關(guān)速度，最終使系統(tǒng)效率降低。

圖4和圖5顯示了來(lái)自該應(yīng)用指南的柵極電荷曲線(xiàn)，它描繪了V_DS在柵極放電和充電時(shí)的上升和下降。通常，MOSFET的Q_gd可用于估計(jì)開(kāi)關(guān)期間V_DS電壓的上升和下降時(shí)間。假設(shè)用恒定電流源驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，則tvfall = Qgd / Igon，tvrise = Qgd / Igoff。

這種簡(jiǎn)單模型不能用于超級(jí)結(jié)器件，超級(jí)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)行為更為復(fù)雜。例如，圖6顯示了SiHP33N60E的柵極電荷曲線(xiàn)，V_DS曲線(xiàn)疊加于其上。與平面式器件相比，超級(jí)結(jié)MOSFET的一個(gè)特征是其容值（V_DS的函數(shù)）的寬變化范圍。在超級(jí)結(jié)MOSFET中，由于C_rss在0 V - 600 V范圍內(nèi)的100:1下降，所以觀察到的開(kāi)關(guān)持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于從產(chǎn)品數(shù)據(jù)表Q_gd值估計(jì)得到的數(shù)據(jù)。雖然沒(méi)有分析方法可用來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際過(guò)渡時(shí)間（這取決于應(yīng)用條件），但設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)知道可使用更低柵極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的開(kāi)關(guān)性能。與平面式MOSFET器件相比，這使超級(jí)結(jié)器件可使用尺寸更小、成本更低的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖6 – SiHP15N60E的柵極電荷與V_DS關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 – SiHP15N60E的容值和儲(chǔ)存能量與V_DS關(guān)系曲線(xiàn)

Coss、Co(tr)、Co(er)和Eoss

圖5還顯示了超級(jí)結(jié)器件的C_oss低近40%，導(dǎo)致更少的儲(chǔ)存能量和更快的開(kāi)關(guān)速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低損耗。所有MOSFET的輸出容值C_oss均表現(xiàn)出與施加電壓V_DS有關(guān)的非線(xiàn)性特征。這種非線(xiàn)性在超級(jí)結(jié)MOSFET情況下更顯著，具有100:1的變化率，電壓值的范圍為0 V - 600 V。這給需要針對(duì)C_oss儲(chǔ)存電荷和能量有效值的設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)。超級(jí)結(jié)器件產(chǎn)品數(shù)據(jù)表通常提供針對(duì)C_oss的兩個(gè)有效值，定義如下：

C_o(tr) - 定義固定電容的值，其在80%額定電壓下具有與可變C_oss相同的儲(chǔ)存電荷。

C_o(er) - 定義固定電容的值，其在80%額定電壓下具有與可變C_oss相同的儲(chǔ)存能量。

有幾項(xiàng)研究都強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)存能量E_oss在不同工作條件下對(duì)系統(tǒng)效率的影響。由于意識(shí)到這一重要性，Vishay已開(kāi)始提供針對(duì)所有高壓MOSFET的完整E_oss曲線(xiàn)，一直到圖7所示的額定電壓。

由于具有更低的R_DS(on)和低容值，超級(jí)結(jié)MOSFET還是包括ZVS橋在內(nèi)的所有高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用的器件之選。在ZVS或同步應(yīng)用中，MOSFET的體二極管不進(jìn)行硬式整流。二極管電流經(jīng)過(guò)軟式整流后流向MOSFET通道，在MOSFET關(guān)斷時(shí)二極管恢復(fù)電壓阻斷功能。但這并不意味著可以想當(dāng)然地認(rèn)為，在ZVS橋應(yīng)用中，在包括瞬態(tài)事件在內(nèi)的所有工作條件下都具有二極管恢復(fù)功能。更低的Q_rr、短勢(shì)壘周期和軟恢復(fù)特征仍然是重要的要求。與平面式器件相比，超級(jí)結(jié)MOSFET沒(méi)有Q_rr 和t_rr較低的優(yōu)點(diǎn)，因而更適合ZVS應(yīng)用。但體二極管恢復(fù)阻斷電壓的能力被認(rèn)為非常重要，所以應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步改善恢復(fù)特征。意識(shí)到這一需要，ViShay已推出EF系列超級(jí)結(jié)MOSFET，在制造中采用額外的工藝，使體二極管的Q_rr減小了5-7倍。

超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)是高壓MOSFET技術(shù)的重大發(fā)展并具有顯著優(yōu)點(diǎn)，其R_DS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時(shí)得到降低。為充分利用這些快速和高效器件，設(shè)計(jì)工程師需要非常注意其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是減小PCB寄生效應(yīng)。超級(jí)結(jié)MOSFET具有低很多的柵極電荷，并可用低電流柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。其輸出容值盡管是高度非線(xiàn)性的，但提供較低的儲(chǔ)存能量E_oss及相關(guān)輸出損耗。Vishay超級(jí)結(jié)器件提供各種封裝、額定電壓和體二極管特征，以適合廣泛的應(yīng)用需要。

本文作者：Sanjay Havanur和Philip Zuk