利用PowerTrench MOSFET應(yīng)對(duì)更高功率密度的新挑戰(zhàn)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)從紙張型向數(shù)字信息管理型方向發(fā)展，用于數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心在個(gè)人業(yè)務(wù)、學(xué)術(shù)和政府體系等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。不過(guò)，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的供電和冷卻成本也在不斷攀升。對(duì)于現(xiàn)代的數(shù)據(jù)與電信電源系統(tǒng)，更高的系統(tǒng)效率和功率密度已成為核心焦點(diǎn)，因?yàn)樾⌒透咝У碾娫聪到y(tǒng)意味著節(jié)省空間和電費(fèi)賬單。

從拓?fù)涞慕嵌葋?lái)看，同步整流器的傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗都更低，能夠提高這些轉(zhuǎn)換級(jí)的效率，因而是開(kāi)關(guān)模式電源次級(jí)端的基本構(gòu)建模塊，在服務(wù)器電源或電信整流器等低壓及大電流應(yīng)用中非常流行。如圖1所示，它取代了肖特基整流器，可使電壓降變得更小。從器件角度來(lái)看，過(guò)去十年中，功率MOSFET晶體管的進(jìn)展巨大，催生出了新穎的拓?fù)浜透吖β拭芏入娫础?0世紀(jì)早期平面技術(shù)問(wèn)世之后，中低電壓MOSFET迅速被開(kāi)發(fā)出來(lái)，利用溝槽柵技術(shù)來(lái)大幅提高性能。溝槽柵MOSFET是中低電壓電源應(yīng)用的首選功率器件，其把一個(gè)柵極結(jié)構(gòu)嵌入到精心蝕刻在器件結(jié)構(gòu)上的溝槽區(qū)域中。這種新技術(shù)可以提高溝槽密度，并無(wú)需JFET阻抗元件，因此能夠使特征導(dǎo)通阻抗降低30%左右。當(dāng)MOSFET的導(dǎo)通阻抗與漏極電流的乘積小于二極管正向電壓降時(shí)，同步整流的能量損耗降低。

不過(guò)，在同步整流方面，低導(dǎo)通阻抗并非電源開(kāi)關(guān)的唯一要求。為了降低驅(qū)動(dòng)損耗，這些器件的柵極電荷也應(yīng)該很小。軟體二極管的反向恢復(fù)特性有助于削弱電壓尖刺的峰值，從而降低緩沖電路損耗。另外，還有輸出電荷QOSS和反向恢復(fù)電荷Qrr造成的開(kāi)關(guān)損耗。因此，中低壓MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)，如RDS(ON)、QG、QOSS、Qrr和反向恢復(fù)特性，直接影響到同步整流系統(tǒng)的效率。被稱為PowerTrench MOSFET的新型中壓功率MOSFET，則針對(duì)同步整流進(jìn)行了高度優(yōu)化，可為服務(wù)器電源或電信整流器提供更高的效率和功率密度。

針對(duì)同步整流進(jìn)行優(yōu)化的功率MOSFET

在開(kāi)關(guān)模式電源中，RDS(ON)×QG FOM（品質(zhì)因數(shù)）一般被視為衡量MOSFET性能的唯一重要的指標(biāo)。因此，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數(shù)項(xiàng)提高RDS(ON)×QG FOM的新技術(shù)。雖然這些年來(lái)MOSFET技術(shù)和單元結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了巨大的革新，但MOSFET垂直單元結(jié)構(gòu)大致仍可分為三類：平面型、溝槽型和橫向型。在這三類結(jié)構(gòu)中，溝槽柵MOSFET已成為BVDSS200V的高性能分立式功率MOSFET的主流。這主要是因?yàn)檫@種器件不僅特征導(dǎo)通阻抗特別低，而且能夠在BVDSS范圍內(nèi)獲得出色的RDS(ON)×QG品質(zhì)因數(shù)（FOM）。

溝槽柵結(jié)構(gòu)可以大幅減小溝槽阻抗（Rchannel）和JFET阻抗（RJFET），而對(duì)低壓MOSFET（BVDSS200V）來(lái)說(shuō)，JFET阻抗正是造成導(dǎo)通阻抗的主要原因。溝槽結(jié)構(gòu)能夠提供最短的漏-源電流路徑（垂直），以此降低RDS(ON)，利用這種醒目的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需任何JFET夾斷效應(yīng)（pinch-off effect）即可提高單元密度。每個(gè)區(qū)域的相關(guān)阻抗所占的百分比差異很大，取決于具體的設(shè)計(jì)與BVDSS。盡管降低傳導(dǎo)損耗必需要降低RDS(ON)，但必須考慮到更高的FOM，對(duì)現(xiàn)有最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溝槽深度和寬度進(jìn)行權(quán)衡折衷。標(biāo)準(zhǔn)溝槽單元常常有一些變體設(shè)計(jì)，旨在保持低阻抗，同時(shí)提高FOM。圖2所示的傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)通過(guò)增加溝槽的寬/長(zhǎng)比來(lái)獲得更低的導(dǎo)通阻抗。為了提高開(kāi)關(guān)性能，增大CGS/CGD比，隨之業(yè)界又開(kāi)發(fā)出了在溝槽底部生長(zhǎng)一層厚氧化層的技術(shù)，如圖3所示。

這種方案不僅有助于減小柵-漏疊加電容CGD，還能改善漂移區(qū)阻抗。此外，它也有利于降低導(dǎo)通阻抗與柵極電荷，因?yàn)楝F(xiàn)在可以一方面通過(guò)薄柵極氧化層來(lái)獲得更低的Vth與導(dǎo)通阻抗，同時(shí)又還可以在溝槽底部采用加厚氧化層以獲得最低的CGD。還有一種技術(shù)就是采用電荷平衡或超級(jí)結(jié)器件結(jié)構(gòu)。它最初是針對(duì)高壓器件開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在也可用于低壓器件。利用電荷平衡方案，可以在漂移區(qū)獲得兩維電荷耦合，因而能夠在漂移區(qū)采用更高的摻雜濃度，最終降低漂移阻抗。相比前代技術(shù)，這種新型中壓功率MOSFET不僅在特征阻抗方面有大幅度改進(jìn)，同時(shí)其原本相當(dāng)出色的開(kāi)關(guān)特性也得到進(jìn)一步提高。

除了RDS(ON)和QG之外，同步整流結(jié)構(gòu)中的其它參數(shù)，如體二極管反向恢復(fù)、內(nèi)部柵極阻抗以及MOSFET的輸出電荷（QOSS），現(xiàn)在也變得更具相關(guān)性。在開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流較高時(shí)，這些損耗元件的重要性便更為明顯。飛兆半導(dǎo)體的中壓MOSFET產(chǎn)品現(xiàn)在開(kāi)始針對(duì)二極管反向恢復(fù)以及輸出電容的最小化進(jìn)行優(yōu)化。

同步整流的功耗

電源開(kāi)關(guān)的主要功耗是傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。此外還有輸出電容引起的電容性損耗、漏電流造成的關(guān)斷狀態(tài)（off-state）損耗、反向恢復(fù)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。在高壓大功率應(yīng)用中，這些損耗常常被忽略；而對(duì)于數(shù)瓦的應(yīng)用，眾所周知電容性損耗可能高達(dá)總功耗的50%以上。必須注意的一點(diǎn)是，漏電流超標(biāo)的不合格器件可能導(dǎo)致熱耗散故障，尤其是在環(huán)境溫度高的情況下，然而這是很常見(jiàn)的事。在低壓應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)損耗可占總功耗的很大部分，因?yàn)橄啾雀邏洪_(kāi)關(guān)，低壓開(kāi)關(guān)的傳導(dǎo)損耗非常小。在輕負(fù)載條件下，傳導(dǎo)損耗極小，驅(qū)動(dòng)損耗更為重要。隨著電腦節(jié)能拯救氣候行動(dòng)（Climate Savers Computing Initiative）等新的效率規(guī)范的推出，驅(qū)動(dòng)損耗成為輕載效率的關(guān)鍵因素。驅(qū)動(dòng)損耗可通過(guò)下式求得。

公式1

開(kāi)關(guān)頻率和柵極驅(qū)動(dòng)電壓屬于設(shè)計(jì)參數(shù)，而柵極電荷值則由數(shù)據(jù)手冊(cè)提供。同步整流與二極管整流器的一個(gè)不同之處是，MOSFET是一種雙向器件。圖5顯示了一般情況下，在傳導(dǎo)期間從源極到漏極流經(jīng)MOSFET溝槽的電流，以及在死區(qū)時(shí)間內(nèi)流經(jīng)體二極管的電流。由于同步整流中，體二極管的導(dǎo)通先于柵極導(dǎo)通，故同步開(kāi)關(guān)可以采用零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)。由于同步整流中，軟開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間工作，dVds/vt為零。因此，CGD（因dVds/dt）的電容性電流也為零。

鑒于這種順序，應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇式1中的柵極電荷值。由于導(dǎo)通瞬間同步開(kāi)關(guān)上無(wú)電壓，這時(shí)不會(huì)發(fā)生“米勒效應(yīng)”。因此，得到的柵極電荷值近似等于總柵極電荷QG減去柵極電荷的柵漏極部分QGD。不過(guò)，這仍然是對(duì)驅(qū)動(dòng)損耗的樂(lè)觀估計(jì)，實(shí)際中，同步開(kāi)關(guān)的柵極電荷值并不等于簡(jiǎn)單的QG-QGD估算值，這是因?yàn)樵谕秸髦?，漏極和源極之間存在一個(gè)負(fù)偏壓，而數(shù)據(jù)手冊(cè)中的QG和QGD是利用正偏壓測(cè)得的。而且，Vth以下的QSYNC曲線類似于Vth以上的斜線，因?yàn)橥秸髦校汶妷洪_(kāi)關(guān)期間這兩個(gè)區(qū)域的漏源電壓都為零。同步整流的柵極電荷QSYNC可利用圖6所示的簡(jiǎn)單電路，并在Q1和Q2上加載適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)測(cè)得。

利用已知的電阻值，可通過(guò)下式求得QSYNC，這樣就可以更準(zhǔn)確地估算出柵極驅(qū)動(dòng)功耗。同步整流中，QSYNC較小，器件的性能也較好。如圖7所示，同步整流的功率MOSFFET的柵-源電壓上無(wú)平坦區(qū)。

公式2

在同步整流中，要降低QSYNC，CGS(Ciss-Crss)是更加關(guān)鍵的因數(shù)。如圖8所示，由于設(shè)計(jì)優(yōu)化，相比4.5毫歐的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的CGS大幅度減小。如表1所示，相比4.5毫歐和3.0毫歐的競(jìng)爭(zhēng)器件，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的QSYNC分別降低了22%和59%。圖9對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為10V，開(kāi)關(guān)頻率為100kHz的27V同步整流級(jí)的驅(qū)動(dòng)損耗和傳導(dǎo)損耗之比進(jìn)行了計(jì)算和比較。這里有兩個(gè)同步開(kāi)關(guān)，在10%的負(fù)載條件下，3.0毫歐競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)損耗是傳導(dǎo)損耗的兩倍。

數(shù)據(jù)手冊(cè)上規(guī)定的二極管反向恢復(fù)時(shí)間（Trr）和反向恢復(fù)電荷（Qrr）一般用于正向開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算。在利用數(shù)據(jù)手冊(cè)上的Qrr值來(lái)計(jì)算損耗時(shí)，須注意一點(diǎn)：體二極管的反向恢復(fù)電流是許多參數(shù)的函數(shù)，比如正向電流IF、反向恢復(fù)diF/dt、DC總線電壓和結(jié)溫Tj，其中任何一個(gè)參數(shù)的增加都會(huì)導(dǎo)致Qrr的提高。數(shù)據(jù)手冊(cè)上的條件通常比典型的轉(zhuǎn)換器工作條件低。由于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器需盡可能快地對(duì)功率MOSFET進(jìn)行轉(zhuǎn)換，邊緣速率，如diF/dt，可能比數(shù)據(jù)手冊(cè)上的條件快10倍之多，從而使同步整流的Qrr大大增加。

輸出電荷Qoss和反向恢復(fù)電荷Qrr在關(guān)斷開(kāi)關(guān)的同時(shí)也造成損耗。因此，Coss和Qrr產(chǎn)生的功耗可通過(guò)下式求得。