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Power Trench MOSFET让更高功率密度成可能

2011年07月14日 09:15 次阅读

引言

对于现代的数据与电信电源系统,更高的系统效率和功率密度已成为核心焦点,因为小型高效的电源系统意味着节省空间和电费账单。

从拓扑的角度来看,同步整流器的传导损耗和开关损耗都更低,能够提高这些转换级的效率,因而是开关模式电源次级端的基本构建模块,在服务器电源或电信整流器等低压及大电流应用中非常流行。如图1所示,它取代了肖特基整流器,可使电压降变得更小。从器件角度来看,过去十年中,功率MOSFET晶体管的进展巨大,催生出了新颖的拓扑和高功率密度电源。20世纪早期平面技术问世之后,中低电压MOSFET迅速被开发出来,利用沟槽栅技术来大幅提高性能。沟槽栅MOSFET是中低电压电源应用的首选功率器件,其把一个栅极结构嵌入到精心蚀刻在器件结构上的沟槽区域中。这种新技术可以提高沟槽密度,并无需JFET阻抗元件,因此能够使特征导通阻抗降低30%左右。当MOSFET的导通阻抗与漏极电流的乘积小于二极管正向电压降时,同步整流的能量损耗降低。

不过,在同步整流方面,低导通阻抗并非电源开关的唯一要求。为了降低驱动损耗,这些器件的栅极电荷也应该很小。软体二极管的反向恢复特性有助于削弱电压尖刺的峰值,从而降低缓冲电路损耗。另外,还有输出电荷QOSS和反向恢复电荷Qrr造成的开关损耗。因此,中低压MOSFET的关键参数,如RDS(ON)、QG、QOSS、Qrr和反向恢复特性,直接影响到同步整流系统的效率。被称为PowerTrench MOSFET的新型中压功率MOSFET,则针对同步整流进行了高度优化,可为服务器电源或电信整流器提供更高的效率和功率密度。

针对同步整流进行优化的功率MOSFET

在开关模式电源中,RDS(ON)&TImes;QG FOM(品质因数)一般被视为衡量MOSFET性能的唯一重要的指标。因此,已经开发出数项提高RDS(ON)&TImes;QG FOM的新技术。虽然这些年来MOSFET技术和单元结构经历了巨大的革新,但MOSFET垂直单元结构大致仍可分为三类:平面型、沟槽型和横向型。在这三类结构中,沟槽栅MOSFET已成为BVDSS<200V的高性能分立式功率MOSFET的主流。这主要是因为这种器件不仅特征导通阻抗特别低,而且能够在BVDSS范围内获得出色的RDS(ON)&TImes;QG品质因数(FOM)。

沟槽栅结构可以大幅减小沟槽阻抗(Rchannel)和JFET阻抗(RJFET),而对低压MOSFET(BVDSS<200V)来说,JFET阻抗正是造成导通阻抗的主要原因。沟槽结构能够提供最短的漏-源电流路径(垂直),以此降低RDS(ON),利用这种醒目的优势,无需任何JFET夹断效应(pinch-off effect)即可提高单元密度。每个区域的相关阻抗所占的百分比差异很大,取决于具体的设计与BVDSS。尽管降低传导损耗必需要降低RDS(ON),但必须考虑到更高的FOM,对现有最优化结构的沟槽深度和宽度进行权衡折衷。标准沟槽单元常常有一些变体设计,旨在保持低阻抗,同时提高FOM。图2所示的传统沟槽栅结构通过增加沟槽的宽/长比来获得更低的导通阻抗。为了提高开关性能,增大CGS/CGD比,随之业界又开发出了在沟槽底部生长一层厚氧化层的技术,如图3所示。

这种方案不仅有助于减小栅-漏叠加电容CGD,还能改善漂移区阻抗。此外,它也有利于降低导通阻抗与栅极电荷,因为现在可以一方面通过薄栅极氧化层来获得更低的Vth与导通阻抗,同时又还可以在沟槽底部采用加厚氧化层以获得最低的CGD。还有一种技术就是采用电荷平衡或超级结器件结构。它最初是针对高压器件开发的,现在也可用于低压器件。利用电荷平衡方案,可以在漂移区获得两维电荷耦合,因而能够在漂移区采用更高的掺杂浓度,最终降低漂移阻抗。相比前代技术,这种新型中压功率MOSFET不仅在特征阻抗方面有大幅度改进,同时其原本相当出色的开关特性也得到进一步提高。

除了RDS(ON)和QG之外,同步整流结构中的其它参数,如体二极管反向恢复、内部栅极阻抗以及MOSFET的输出电荷(QOSS),现在也变得更具相关性。在开关频率和输出电流较高时,这些损耗元件的重要性便更为明显。飞兆半导体的中压MOSFET产品现在开始针对二极管反向恢复以及输出电容的最小化进行优化。

同步整流的功耗

电源开关的主要功耗是传导损耗和开关损耗。此外还有输出电容引起的电容性损耗、漏电流造成的关断状态(off-state)损耗、反向恢复损耗和驱动损耗。在高压大功率应用中,这些损耗常常被忽略;而对于数瓦的应用,众所周知电容性损耗可能高达总功耗的50%以上。必须注意的一点是,漏电流超标的不合格器件可能导致热耗散故障,尤其是在环境温度高的情况下,然而这是很常见的事。在低压应用中,驱动损耗可占总功耗的很大部分,因为相比高压开关,低压开关的传导损耗非常小。在轻负载条件下,传导损耗极小,驱动损耗更为重要。随着电脑节能拯救气候行动(Climate Savers CompuTIng Initiative)等新的效率规范的推出,驱动损耗成为轻载效率的关键因素。驱动损耗可通过下式求得。

  公式1

开关频率和栅极驱动电压属于设计参数,而栅极电荷值则由数据手册提供。同步整流与二极管整流器的一个不同之处是,MOSFET是一种双向器件。图5显示了一般情况下,在传导期间从源极到漏极流经MOSFET沟槽的电流,以及在死区时间内流经体二极管的电流。由于同步整流中,体二极管的导通先于栅极导通,故同步开关可以采用零电压开关技术。由于同步整流中,软开关在开关导通和关断瞬间工作,dVds/vt为零。因此,CGD(因dVds/dt)的电容性电流也为零。

鉴于这种顺序,应该谨慎选择式1中的栅极电荷值。由于导通瞬间同步开关上无电压,这时不会发生“米勒效应”。因此,得到的栅极电荷值近似等于总栅极电荷QG减去栅极电荷的栅漏极部分QGD。不过,这仍然是对驱动损耗的乐观估计,实际中,同步开关的栅极电荷值并不等于简单的QG-QGD估算值,这是因为在同步整流中,漏极和源极之间存在一个负偏压,而数据手册中的QG和QGD是利用正偏压测得的。而且,Vth以下的QSYNC曲线类似于Vth以上的斜线,因为同步整流中,零电压开关期间这两个区域的漏源电压都为零。同步整流的栅极电荷QSYNC可利用图6所示的简单电路,并在Q1和Q2上加载适当的驱动信号来测得。

利用已知的电阻值,可通过下式求得QSYNC,这样就可以更准确地估算出栅极驱动功耗。同步整流中,QSYNC较小,器件的性能也较好。如图7所示,同步整流的功率MOSFFET的栅-源电压上无平坦区。

  公式2

在同步整流中,要降低QSYNC,CGS(Ciss-Crss)是更加关键的因数。如图8所示,由于设计优化,相比4.5毫欧的竞争产品,3.6毫欧PowerTrench MOSFET的CGS大幅度减小。如表1所示,相比4.5毫欧和3.0毫欧的竞争器件,3.6毫欧PowerTrench MOSFET的QSYNC分别降低了22%和59%。图9对栅极驱动电压为10V,开关频率为100kHz的27V同步整流级的驱动损耗和传导损耗之比进行了计算和比较。这里有两个同步开关,在10%的负载条件下,3.0毫欧竞争产品的驱动损耗是传导损耗的两倍。

数据手册上规定的二极管反向恢复时间(Trr)和反向恢复电荷(Qrr)一般用于正向开关损耗的计算。在利用数据手册上的Qrr值来计算损耗时,须注意一点:体二极管的反向恢复电流是许多参数的函数,比如正向电流IF、反向恢复diF/dt、DC总线电压和结温Tj,其中任何一个参数的增加都会导致Qrr的提高。数据手册上的条件通常比典型的转换器工作条件低。由于开关转换器需尽可能快地对功率MOSFET进行转换,边缘速率,如diF/dt,可能比数据手册上的条件快10倍之多,从而使同步整流的Qrr大大增加。

输出电荷Qoss和反向恢复电荷Qrr在关断开关的同时也造成损耗。因此,Coss和Qrr产生的功耗可通过下式求得。

公式3

公式4

开关上的电压尖刺

把有害电压尖刺降至最小的一般原则是采用短而厚的电路板以及最小的电流回路。然而,由于尺寸和成本的限制,做到这些并不容易。有时,设计人员必需考虑到机械结构的问题,如散热器和风扇;有时鉴于成本限制因素,不得不使用单面印制电路板。缓冲电路可作为一种可行的替代方案,用来在最大额定漏源电压范围内管理电压尖刺。这种情况下,额外的功耗是无法避免的。此外,轻载下缓冲电路本身产生的功耗也不可忽视。除了电路板参数之外,器件的特性也对电压尖刺电平有影响。在同步整流中,一个主要的器件相关参数是反向恢复期间的体二极管软度因子(softness)。基本上,二极管的反向恢复特性是由设计决定的。有好几个控制输入对反向恢复产生影响,如结温、di/dt和正向电流水平。但是,当条件固定时,二极管总是表现出相同的行为。因此,器件的评估结果对评测系统的运作情况非常有用。图10所示为两个不同器件(但有极其相似的额定值)的反向恢复波形。

在反向恢复电流波形中,从零到峰值反向电流的这段时间被称为ta。tb则定义为从峰值回到零的时间。软度因子定义为tb/ta。一个软器件的软度因子大于1,而当其软度因子小于1时,该器件被认为是“snappy(活跃的)”。从图10可看出,反向恢复期间snappy二极管的峰值电压较大。当所有条件都相同时,snappy二极管的电压尖刺总是比较高,因此会在缓冲电路中造成额外的损耗。轻载条件下,这一点可能比把导通阻抗RDS(on)减小1毫欧还要来得重要。图11所示为谐振频率为400kHz的500W PSFB DC-DC转换器中软器件与snappy器件的工作波形。软器件的峰值电压比snappy器件的小10%,从而可使缓冲电路的功耗降低30%,系统效率提高0.5%。尽管软器件的RDS(on)比snappy器件的要高25%,但在20%负载条件下,二者的效率分别为94.81%与94.29%。满载下两个器件的效率相同。

总结

为同步整流创建更高效的电源开关,低RDS(on)不是唯一的要求。随着轻载效率的重要性增强,栅极驱动损耗和缓冲电路损耗变为十分重要的损耗因素。因此,低QSYNC和软二极管成为获得更高同步整流效率的至关重要的特性。不过,RDS(ON)仍然是应用的关键参数。图12所示为带同步整流的800W PSFB中,在不同负载和不同器件条件下,不同元件的相关功耗。由于在10%负载条件下的驱动损耗和输出电容性损耗更低,3.6毫欧PowerTrench MOSFET的总功耗比3.0毫欧竞争产品减小43%。此外,3.6毫欧PowerTrench MOSFET的功耗主要源于满负载条件下的传导损耗,因此其功耗比4.7毫欧竞争产品的更低。从图12总结的损耗分析可明显看出,由于3.6毫欧PowerTrench MOSFET进行了设计优化,故可以大幅降低满载和轻载条件下的功耗。

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发表于 2010-09-08 15:05 1559次阅读
50W-100W功率放大器电路

基于LTC3675设计的七路大功率PMIC管理技...

本文介绍了LTC3675主要特性,方框图,以及多种典型应用电路。Linear 公司的LTC3675是...

发表于 2010-09-03 16:04 256次阅读
基于LTC3675设计的七路大功率PMIC管理技...

音箱功率参数的秘密

谈到音箱的参数,功率是最多被我们提到的。我们甚至很容易看到,两款同样功率的音箱,在中等或较大音量下

发表于 2010-09-02 14:49 6772次阅读
音箱功率参数的秘密

R、L、C元件的有功功率和无功功率之间的关系

1.电阻只吸收功率,不发功率 PR =UIcos =UIcos0...

发表于 2010-09-01 09:59 1756次阅读
R、L、C元件的有功功率和无功功率之间的关系

基于MC33262构成的功率因数校正(AFPC)...

  文中推出的APFC系统采用美国摩托罗拉公司生产的MC33262专用集成控制芯片,并使其工作于临界...

发表于 2010-08-19 11:19 2520次阅读
基于MC33262构成的功率因数校正(AFPC)...

8位可定址DMOS功率驱动器参数及应用

Allegro公司的A6259KA和A6259KLW集3到8线CMOS译码器和数据锁存、控制电路及D...

发表于 2010-07-20 15:26 311次阅读
8位可定址DMOS功率驱动器参数及应用

大功率LED散热的改善方法

摘要:考虑热导率与散热方式的影响,使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了大功率LED热分布...

发表于 2010-07-19 15:42 773次阅读
大功率LED散热的改善方法

无线发射的功率单位及换算

无线发射功率的单位及换算公式 功率 (dBm  dBmV   dBu...

发表于 2010-07-14 17:55 1175次阅读
无线发射的功率单位及换算

电功率和能量概述

 电功率    在电压电流关联参考方向下,电功率 p 可写成...

发表于 2010-06-28 16:48 1121次阅读
电功率和能量概述

Vishay扩充用于功率电子的重载HDMKP电容...

Vishay Intertechnology, Inc.宣布,扩充其用于功率电子的重载Vishay ...

发表于 2010-06-28 08:36 169次阅读
Vishay扩充用于功率电子的重载HDMKP电容...

SiZ700DT PowerPAIR双芯片不对称...

Vishay Intertechnology, Inc.宣布,为帮助客户了解在一个小尺寸器件内组合封...

发表于 2010-06-17 09:13 303次阅读
SiZ700DT PowerPAIR双芯片不对称...

立体声BTL D类功率放大电路图

采用带有两个BTL 输出的STA517B(每通道175 瓦)数字功率放大器

发表于 2010-06-11 15:17 708次阅读
立体声BTL D类功率放大电路图

NE5532设计的小功率电路及耳机放大器

NE5532从面世到如今已历经数载,大家对其电路也非常熟悉,有着多种多样的玩法。在此介绍的耳放的特点...

发表于 2010-06-01 10:55 2399次阅读
NE5532设计的小功率电路及耳机放大器

逻辑门电路功率分类

一个逻辑器件的实际功耗与它的数据手册上提到的典型供电电流ICC只是间接地相关制造商标定的典型功耗通常...

发表于 2010-05-31 16:19 437次阅读
逻辑门电路功率分类

无变压器逆变器可降低复杂性并实现功率最大化

无变压器逆变器可降低复杂性并实现功率最大化 本文介绍了现今商业和公用光伏安装项目所使用的无变压器逆...

发表于 2010-05-14 18:09 312次阅读
无变压器逆变器可降低复杂性并实现功率最大化

不同电源供电及不同功率等级的LED照明解决方案

不同电源供电及不同功率等级的LED照明解决方案 摘要:LED照明的应用已经从传统的便携产品背光拓展...

发表于 2010-04-19 11:32 443次阅读
不同电源供电及不同功率等级的LED照明解决方案

功率开关对电源效率的影响(飞兆案例)

功率开关对电源效率的影响(飞兆案例) 高频开关电源运行(电子)允

发表于 2010-04-16 15:40 199次阅读
功率开关对电源效率的影响(飞兆案例)

基于GaN的功率技术引发电子转换革命

基于GaN的功率技术引发电子转换革命 功率MOSFET出现之前,双极性晶体管在功率电子领域一直占据...

发表于 2010-04-13 14:33 652次阅读
基于GaN的功率技术引发电子转换革命

CMOS音频功率放大器的旁路电压控制电路简介

CMOS音频功率放大器的旁路电压控制电路简介 音频功率放大器被广泛应用于诸如移动电话、MP3,MP...

发表于 2010-03-31 11:47 380次阅读
CMOS音频功率放大器的旁路电压控制电路简介

Toshiba推出高性能功率MOSFET TK系...

Toshiba推出高性能功率MOSFET TK系列 Toshiba推出新系列的功率MOSFET,这...

发表于 2010-03-30 10:37 224次阅读
Toshiba推出高性能功率MOSFET TK系...

改进型Gysel功率分配/合成器原理设计

改进型Gysel功率分配/合成器原理设计 本文对Gysel功率分配/合成器进行了改进,目的是提高其...

发表于 2010-03-30 10:31 721次阅读
改进型Gysel功率分配/合成器原理设计

基于TDA7294的无需调试胆味大功率功放原理及...

基于TDA7294的无需调试胆味大功率功放原理及电路 意法微电子公司曾推出一款Hi-Fi大功率DM...

发表于 2010-03-29 10:23 5214次阅读
基于TDA7294的无需调试胆味大功率功放原理及...

Vishay发布新款集成功率光敏

Vishay发布新款集成功率光敏   日前,Vishay Intertechnology, Inc...

发表于 2010-03-26 11:38 162次阅读
Vishay发布新款集成功率光敏

功率分配器,功率分配器的性能参数有哪些?

功率分配器,功率分配器的性能参数有哪些?     它是一种将一路输入...

发表于 2010-03-26 09:57 1098次阅读
功率分配器,功率分配器的性能参数有哪些?

功率放大器,功率放大器的特点及原理是什么?

功率放大器,功率放大器的特点及原理是什么? 利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源...

发表于 2010-03-22 11:51 47640次阅读
功率放大器,功率放大器的特点及原理是什么?

什么是汽车的扭矩/功率/排量/平均燃料消耗量

什么是汽车的扭矩/功率/排量/平均燃料消耗量 扭矩扭矩:扭矩是使物体发生转动的力。发动机的扭矩就是...

发表于 2010-03-12 08:54 414次阅读
什么是汽车的扭矩/功率/排量/平均燃料消耗量

排气量、功率和扭矩的关系是怎样的?

排气量、功率和扭矩的关系是怎样的?   我们在买车时,往往第一个关注的是这辆车...

发表于 2010-03-10 16:00 8071次阅读
排气量、功率和扭矩的关系是怎样的?

采用PWM功率放大器的新型中频电源设计方案

采用PWM功率放大器的新型中频电源设计方案 引 言    &nb...

发表于 2010-02-27 10:56 310次阅读
采用PWM功率放大器的新型中频电源设计方案

混合动力汽车带来功率管理的新挑战

混合动力汽车带来功率管理的新挑战 加强能源效率并减少气体排放的“绿色”汽车,增强保护并提高安全功能...

发表于 2010-02-05 23:50 78次阅读
混合动力汽车带来功率管理的新挑战

几种常用电流功率放大器的介绍

几种常用电流功率放大器的介绍 电流放大电路一般常用的有几种:   &nbs...

发表于 2010-02-05 13:51 831次阅读
几种常用电流功率放大器的介绍

中小功率三极管判别的方法

中小功率三极管判别的方法 如何判别中小功率三极管的类型和电极?推荐以下方法供参考! 用数字万用表...

发表于 2010-01-13 11:27 435次阅读
中小功率三极管判别的方法

钻石SX-600驻波功率表使用手册

钻石SX-600驻波功率表使用手册  钻石SX-600驻波功率表适合业余无线电等使...

发表于 2010-01-04 09:57 846次阅读
钻石SX-600驻波功率表使用手册

点钞机的功率

点钞机的功率         ...

发表于 2009-12-31 10:40 1085次阅读
点钞机的功率

大幅面打印机的功率

大幅面打印机的功率        &nb...

发表于 2009-12-30 16:57 229次阅读
大幅面打印机的功率

传真机的功率

传真机的功率         ...

发表于 2009-12-29 17:00 3134次阅读
传真机的功率

电压表,电流表,功率表仪表常用的术语

发表于 2009-11-18 10:31 341次阅读
电压表,电流表,功率表仪表常用的术语

功率单位mw和dbm的换算表

功率单位mw和dbm的换算表 dBm mW

发表于 2009-11-14 16:43 3418次阅读
功率单位mw和dbm的换算表

如何正确识别电池的容量和功率?

如何正确识别电池的容量和功率? 前言:   随着锂电池在数码产品里的广泛应用,国内越来越多的厂商...

发表于 2009-10-28 09:03 6202次阅读
如何正确识别电池的容量和功率?

直接功率控制的基本原理

直接功率控制的基本原理 受到鼠笼型异步电机直接转矩控制的启发,有学者提出了变速恒频双馈风力发电系统...

发表于 2009-10-18 10:23 1415次阅读
直接功率控制的基本原理

380/220V,100kVA UPS备用发电机...

380/220V,100kVA UPS备用发电机组的功率调节器   ...

发表于 2009-07-14 09:11 298次阅读
380/220V,100kVA UPS备用发电机...

无功功率动态跟踪补偿装置

无功功率动态跟踪补偿装置 交流电网的负荷,一般多呈感性,它需要电网提供无功功率,而...

发表于 2009-07-10 11:34 171次阅读
无功功率动态跟踪补偿装置