滿足供電需求的新型封裝技術(shù)和MOSFET

在小尺寸器件中驅(qū)動(dòng)更高功率得益于半導(dǎo)體和封裝技術(shù)的進(jìn)步。一種采用頂部散熱標(biāo)準(zhǔn)封裝形式的新型功率MOSFET就使用了新一代半導(dǎo)體技術(shù)，在效率等級(jí)、功率密度和可靠性等方面都達(dá)到了新的水平。

電源設(shè)計(jì)工程師一直都面臨著許多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這是由于先進(jìn)處理器本身的要求和越來(lái)越多的功能都需要消耗功率。電路板中留給電源轉(zhuǎn)換器的空間常常被壓縮，即使是在需要許多種供電電壓和實(shí)際輸出功率不斷增加的情況。先進(jìn)的封裝形式，例如DaulCool NexFET功率MOSFET就有助于工程師在標(biāo)準(zhǔn)封裝中滿足這些需求。采用了NexFET技術(shù)的功率MOSFET通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗和具有頂部散熱能力的DaulCool功率封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率，從而能夠獲得更高的功率密度。

理想開(kāi)關(guān)
在典型的同步降壓開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中，MOSFET作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)的主要損耗包括開(kāi)關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗、體二極管損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗。開(kāi)關(guān)損耗主要是由器件本身結(jié)構(gòu)的寄生電容產(chǎn)生的。傳導(dǎo)損耗是器件工作在增強(qiáng)模式時(shí)由導(dǎo)通電阻（RDS(on)）產(chǎn)生的。體二極管損耗是正向電壓和反向恢復(fù)電荷（Qrr）的函數(shù)。柵極驅(qū)動(dòng)損耗由MOSFET的柵電荷（Qg）決定。因此，寄生電容和導(dǎo)通電阻（RDS(on)）決定了器件在特定應(yīng)用中的性能。在現(xiàn)今的低壓MOSFET中最普遍使用的技術(shù)是TrenchFET（如圖1所示）。

圖1 MOSFET結(jié)構(gòu)比較

TrenchFET技術(shù)的廣泛使用是由于它替代平面技術(shù)的特定管芯尺寸下具有極低的導(dǎo)通電阻，唯一的不足就是寄生電容通常會(huì)有所增加。面積比較大的溝道墻使它很難降低內(nèi)部的寄生電容，這種電容使工程師只能在優(yōu)化性能的低工作頻率和具有更好功率密度的高工作頻率之間做出選擇。

NexFET技術(shù)可以獲得與TrenchFET技術(shù)相似的導(dǎo)通電阻，而相應(yīng)的寄生電容大約降低50%。器件底部側(cè)面的擴(kuò)散MOS（LDMOS：橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）和垂直流動(dòng)電流可以得到很高的電流密度。圖1所示的結(jié)構(gòu)顯示出柵極下面的面積在源極區(qū)和漏極區(qū)重疊得很少，這就使得內(nèi)部寄生電容很小。寄生電容的降低會(huì)使開(kāi)關(guān)時(shí)的電荷（Qg、Qgs、Qgd）降低。因此，器件的開(kāi)關(guān)速度會(huì)更快，也降低了MOSFET中的開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路所需要的能量也比較低，這也降低了驅(qū)動(dòng)器中的損耗。器件內(nèi)部的密勒電荷（Qgd）影響器件開(kāi)關(guān)損耗，并決定著消除Cdv/dt打開(kāi)的開(kāi)關(guān)能力，它的存在使效率大大降低，并有可能毀壞MOSFET。

NexFET技術(shù)改進(jìn)的主要作用是它具有更低和更平的功率損耗-頻率曲線（如圖2所示）。因此，與TrenchFET技術(shù)相比，采用NexFET技術(shù)的典型的同步降壓電源轉(zhuǎn)換電路在維持相同功率損耗的情況下可以工作在兩倍的頻率。例如，如果將功率損耗限制在3W，并維持全負(fù)載效率高于90%，開(kāi)關(guān)頻率就可以從500kHz（TrenchFET MOSFET）增加到1MHz（NexFET MOSFET）。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作在更高的頻率時(shí)，無(wú)源器件，例如輸出電感等的尺寸就可以減少50%，這也改善了功率密度。

圖2 新型MOSFET的平直功率損耗曲線使它可以工作在更高的頻率