Power_MOSFET_IC的结构与电气特性.doc

Power MOSFET IC的结构与电气特性Power MOSFET IC(以下简称为MOSFET)广泛应用在各种电源电路与汽车等领域，虽然最近几年MOSFET在高速切换(switching)与低ON阻抗化有相当的进展，不过一般认为未来MOSFET势必会朝高性能方向发展，因此本文要介绍MOSFET IC的构造、电气特性，以及今后技术发展动向。MOSFET IC的构造图1是N channel Power MOSFET IC的断面构造，本MOSFET的gate与source之间，亦即gate pad的周围设有可以防止静电破坏的保护二极管，因此它又称为body diode。马达驱动电路与断电电源供应器(UPS)等DC-AC转换inverter等应用的场合，保护二极管可以充分发挥它的特性。 图1 Power MOSFET IC的构造图2是MOSFET的结构分类，由图可知MOSFET结构上可以分成纵型与横型两种type；纵型type还分成平板(planer)结构与沟槽(trench)结构两种。表1是上述结构特征与主要用途一览。图2 Power MOSFET IC的分类构造纵型横型区分低耐压( 100V以下)高耐压(planer)低耐压高耐压特性planertrench耐高压化低ON阻抗化低Ciss (低Qg)低Crss (低Qgd )特征高耐压、低电流高速、高频用途DC-DC converter驱动小型马达汽车电机AC-DC switching电源UPS电源inverterRF增幅输出(行动电话)数百MHz数GHz 高频电力增幅(基地台设备)表1 Power MOSFET的构造与用途纵型构造纵型构造适用于高耐压/低ON阻抗MOSFET，目前中/高耐压(VDSS=200V)的MOSFET大多采用纵型结构。虽然部份低耐压(VDSS=100V)的MOSFET也使用纵型结构，不过一般要求低容量、高速switching特性的场合，平板(planer)结构比较有利；要求低ON阻抗特性时，则以沟槽(trench)结构比较适合。最近几年制程与加工设备的进步，沟槽结构的MOSFET在低容量化(低Qg，Qgd化)有相当的进展，因此从应用面观之纵型与沟槽结构的MOSFET，两者的低容量化特性已经没有太大差异。如上所述纵型结构的MOSFET具备高耐压、低ON阻抗、大电流等特征，所以适合当作switching组件使用。横型构造横型构造最大缺点是不易符合高耐压/低ON阻抗等要求，不过它低容量特性尤其是逆传达容量(归返容量)Crss非常小。如图2(b)所示，gate与source之间的容量被field plate遮蔽(shield)，因此结构上非常有利。不过横型构造的cell面积很大，单位面积的ON阻抗比纵型构造大，因此一般认为不适合switching组件使用，只能当作要求高速/高频等高频增幅器常用的输出控制组件(device)。今后发展动向横型构造比较适用于低耐压switching组件，主要应用例如驱逐CPU core的VR(Voltage Regulator)等等。一般认为VR未来会朝向0.8V/150A方向发展，此外为支持遽变负载可作高速应答，例如电流站立应答di/dt=400A/s的速度特性，未来势必成为必备条件之一。由于低电压化需求必需抑制电压幅宽，相对的电压变动容许值必需低于数十mA以下，然而复数电容并联的结果，却造成电路基板变大等困扰，有效对策是提高电源switching的频率，也就是说目前200300kHz的动作频率，未来势必将会被25MHz CPU驱动用VRB(Voltage Regulator Block)取代。此外基于高频领域的动作性等考虑，结构上比较有利的横型构造则被纳入检讨。由于横型构造属于source-source，因此要求高速性的high side switch已经采用横型构造，low side switch(整流用)则利用纵型结构将芯片堆栈在同一stem，藉此消除导线电感(inductance)进而形成高性能MOSFET组件。MOSFET IC的应用图3是MOSFET IC主要用途与今后发展动向一览；横轴是组件的耐压值VDSS，纵轴是组件应用上的动作频率。 图3 Power MOSFET IC用途与发展趋势(一).电源系统电源系统要求MOSFET IC具备省能源(energy)、高效率、轻巧、小型、低噪讯(noise)、低高频电流、高可靠性，以及高速负载应答(峰值负载电流)等特性。在switching电源中，进展最快速的是DC-DC converter与驱动CPU的VR，尤其是驱动CPU的VR，除了低电压化/大电流化之外，今后更要求小型/高速化(高 化)，因此动作频率(控制IC的PWM频率)有高频化的倾向。虽然目前主流是200300KHz，不过未来会逐渐朝400700KHz，甚至1MHz高频化方向提升。然而高频化的结果，却造成MOSFET的switching损失大幅增加，虽然FOM(Figure Of Merit)是MOSFET高性能化的重要指针，不过基本上降低RDS(on)，Qgd才是根本对策。图4是Power MOSFET IC的性能指针，亦即FOM改善经纬。图5是gate内部阻抗Rg与电源效率的关系，由图可知动作频率=300kHz时，Rg会从3变成0.5，电源效率则改善1%以上；如果动作频率=1MHz时，电源效率则改善5%以上。虽然gate内部阻抗Rg会随着组件种类出现差异，不过动作300kHz频率超过 以上高速动作时，建议读者选用Rg低于2的type。VR用MOSFET的选择重点如下:a.high side device低ON阻抗(输入电压Vin会改变优先度)。低Qgd特性。低gate内部阻抗Rg(低于2)。b.high side device超低ON阻抗(输入电压Vin会改变优先度)。低Qgd特性。低Qg特性。低Crss/Ciss特性(输入电压Vin会改变优先度)。高速二极管特性(快速的逆复原时间trr)。图4 低Qgd与低RD(an)化的发展动向图5 gate内部阻抗与效率的依存性(二).汽车电机例如引擎控制器、安全气曩、ABS、HEV/FCEV操控马达、废气控制、车内LAN用继电器代用品等，电路系统内部都可以发现功率MOSFET IC的踪影，由于这些控制系统涉及人身安全，因此除了高可靠性之外，更要求MOSFET对所有破坏模式具备强大的耐量(承受能力；以下简称耐量)。有关废气控制与省能源问题，低ON阻抗特性的MOSFET非常适合，不过为确保负载短路破坏耐量，所以低ON阻抗特性往往受到某种程度的牺牲，所幸的是具备过温度遮断功能的热能(thermal)FET已经商品化，而内建智能型(intelligent)电路，以保护电路简略化/高可靠性为诉求，以及附设保护负载短路+自我诊断输出端子、内建可以检测温度/电流功能的芯片，已经正式进入研发阶段。(三).马达驱动应用以往MOSFET IC的马达驱动应用，主要是打印机、复印机、硬盘机等计算机与事务机器领域，最近几年这些机器基于高速走纸、高速起动、高速停止的市场需求压力，以及要求提高马达的控制精度等来自设计者的需求，因此采用同时具备高速应达(response)，与低损失、低耐压功率MOSFET IC的case有逐年增加的趋势。此外上述应用基于成本考虑大幅简化驱动电路，因此以P channel MOSFET与N channel MOSFET补偿型(complementary)组件居多，由于动作频率大多低于50kHz，所以组件设计上非常重视低ON阻抗特性。虽然理论上P channel MOSFET的ON阻抗比N channel MOSFET大，不过随着制程微细化，两者几乎达到无差异程度。采用内建P channel与N channel耐压低于60V，外型封装类似SOP-8小型组件的数量也不断增加。(四).可携式电子产品使用电池驱动的大电流(数A10A)可携式电子产品，以笔记型计算机(Note BookPersonal Computer以下简称为NB-PC)最具代表性。NB-PC的AC充电电源与电池切换选择开关，以及各种负载开关(load switch)，大多使用P channel MOSFET；至于锂离子电池的保护电路充放电开关，则使用小型封装低ON阻抗的P channel MOSFET。随着笔记型计算机的高速化与处理数据容量遽增，必需提供更大的电流给CPU，这意味着锂离子电池的动作电流也随着提高。以往小型锂离子电池pack大多是以呈密封状态，因此大多使用小型封装低ON阻抗的P channel MOSFET。目前耐压-30V,RDS(on)=3.6mtyp，超低ON阻抗小型封装的LFPAK(SOP-8 pin compatible)已经商品化，RDS(on)=2.7typ同样是小型封装的产品HAT1125H，则正在开发中。(五).Audio应用以往Audio OP增幅器大多采取模拟方式，最近受到省电化的影响，Audio设备也改用数字化switching技术。由于Audio OP增幅器的电源，大多使用电源变压器与大容量电解电容，因此电源模块若改用switching电源，理论上可以获得小型、轻巧、省电等多重效益，不过实际上输出模块的增幅器基于噪讯、偏斜率THD(Total Harmonic Distortion)等，Audio设备特有的特性等考虑，加上设备系统属于模拟结构，因此无法期待功率增幅器整体的效率可以获得改善。所幸的是电源模块与输出增幅模块都导入switching技术，因此业者也逐渐改用数字化增幅器。未来数字化增幅器适用于 以上Audio高功率输出段，该输出段与switching电源一样，属于half bridge与full bridge结构，可用300MHz以上动作频率switching。上述电路与switching电源一样，high side与low side组件都设有所谓的dead time，需注意的是设定时间过大的话，会有波形歪斜之虞。此外利用PWM变调作数十ns脉冲宽度控制，switching速度太慢的话，同样会影响波形歪斜，因此MOSFET IC必需具备100150V的耐压，数十m低ON阻抗特性，数十pF以下低归返(return)容量Crss，加上低噪讯化的等高速switching，与高Vth(Vth3V)等特性。一般认为今后除了噪讯与波形歪斜问题之外，低电感化、低容量化的同时，势必针对封装与组件结构进行特性提升，才能完全满足以上的要求。(六).家电设备事实上功率MOSFET IC是日常生活不可或缺的必要组件之一，例如日光灯inverter就是由MOSFET IC典型应用实例。今后MOSFET IC的应用，会扩展至液晶、电浆面板在内的各种平面显示器，以及面板驱动用sustain switching，与液晶电视的灯管驱动用inverter等领域。MOSFET IC的发展动向低电感化、低阻抗化封装技术如上所述随着压比较器(regulator)动作频率的高频化，今后除了改善组件的RDS(on)，Qg，Qgd，Rg特性之外，小型化封装技术也是关键性技术。具体而言封装上必需尽量降低source固定导线(bonding wire)阻抗RW、source/gate的电感成份Ls，Lg。以gate电感Lg为例，为了使gate容量Qg能在数ns时间内充电，所以gate电流Ig必需在数ns时间内站立。source电感会降低效率图6是说明有关high side组件的source电感Ls的影响，它市针对source导线电感Ls内产生的电压VLS与动作频率，进行依存性计算获得的结果。虽然SOP-8封装的Ls取决于source导线长度、直径、数量，不过即使如此，它的source导线电感Ls大约有25nH。5nH的场合，动作频率超过3MHz的VLS，Id=10A时，超过1V在5MHz就会变成1.5V(Id变成20A大电流时，source导线电感Ls内产生的电压VLS，分别变成2倍亦即:2V/3MHz,3V/5MHz)。 至于high side的Tr1，该Ls会对gate驱动电压转换成负归返，进而使ON阻抗朝上升方向动作，接着再受到VLS的影响，此时即使未对gate施加充足的驱动电压，switching时间(上升时间tr)也会自动变长，turn ON损失则大幅增加，尤其是high side组件必需限制脉冲宽度狭窄时间，因此高频动作时上述问题会更加突显。由此可知source电感Ls对高频特性具有不良影响，同时还会降低电源效率。有效对策除了事前的模拟分析，与事后的调整修正之外，低电感、低阻抗无导线结构的封装方式势必成为未来主流，值得一提的是降低导线的寄生source电感Ls，也是非常重要的关键性技术。图6 source inductance的影响小型高散热效率的封装技术类似CPU驱动用电压比较器与二次端同步整流用途，要求高频化/大电流化的同时，小型化之后单位面积高电流密度则是未来的趋势。一般Power MOSFET IC的封装于印刷电路板的场合，MOSFET IC动作时产生的热量是透过电路板排除，所以刷电路板的温度必需抑制在105oC以下，这意味着良好的冷却技术非常重要。图7是国外业者正在开发的小型/低热阻抗封装LFPAK-i(Inverted Type)的结构，由图可知它是属于lead弯曲type。本MOSFET IC最大特征是利用金属顶端(header)散热，由于单纯lead弯曲type，gate与source的电极左右相反，因此使用上非常不方便，设计上必需使上述两电极类似LFPAK、SOP-8作同方向布线。LFPAK若与LFPAK-i比较时，附冷却风扇空气冷却的热饱和状态封装热阻抗，可以从25oC/W降至15oC/W，大约减少40%左右，由于channel温度降低，动作时的ON阻抗也随着下降， tpw=0.5s10s过渡时间变成只有原来的1/31/5，所以峰值动作时可以获得大电流化效益。图7 Power MOSFET IC的封装复合化/积体化a.内建SBD的Power MOSFET IC图8是高效率DC-DC converter电源用Power MOSFET IC复合化/微积体化实例，Power MOSFET IC应用在非绝缘型DC-DC电源时，类似图8组合High side与Low side的电路，为避免上/下组件同时ON，因此上/下组件设置OFF时段(dead time)，在该时段若使用Low side内建的二极管，会因为该二极管的VF=0.8V电压下降，与逆复原时间trr的影响，产生High side的turn ON损失，进而变成高频动作最后导致效率降低等结果。有效对策如图8所示，将SBD(Shot key Barrier Diode)串联连接，藉此避免dead time期间电流不会在二极管流动，同时降低turn ON损失。图8(b)是将SBD微积体化至Low side MOSFET IC内部，藉此消除寄生电感的设计。图8 一体封装方式改善VF，trr特性内建驱动IC的Power MOSFET可以满足高频化需求，尤其是CPU数据处理容量增加，提供CPU电力的电压比较器必需同时具备低电压、大电流、高速应答、高效率、轻巧、小型多重特性。传统技术使用大容量电容器等被动组件，可是如此设计却造成搭载电压比较器的电路基板面积不敷使用等后果，虽然高频化可以解决上述问题，不过反面缺点switching损失增加效率降低。因此Intel提案将驱动IC与上/下两Power MOSFETIC积体于QFN56 package内，形成所谓的SiP(System in Package)结构。值得一提的是Intel根据Driver-MOSFET integrated SiP(DrMOS)规范制成的Driver-MOSFET积体SiP目前已经正式商品化。c.高功能/高可靠性汽车电机用途的MOSFET必需具备强大负载短路耐量与高可靠性，为符合如此严苛要求，国外业者推出如图9所示，具备过温遮断功能的热力(thermal)型FET，当负载短路等因素造成MOSFET channel温度Tch温度达15020oC时，内建于芯片上的温度感测部，与过热遮断/限制过电流电路就会开始动作，接着连接主功率(main power)MOSFET的source-gate之间，过热遮断用MOSFET会变成ON，如此便可以达成保护功率MOSFET IC的预期效果。 有关遮断后的复原方式可分为Latch Type与Hysteresis Type两种，它的动作特征分别是:Latch Type:若未将遮断后source-gate之间的电压归零(reset)，就无法回复正常动作。Hysteresis Type: 遮断温度低于额定值便自动回复正常动作。此外国外业者正积极开发具备自我诊断功能的功率MOSFET IC，当MOSFET发生组件损坏，或是外部电路例如负载open、负载short时，该MOSFET可以自动进行智能型自我诊断动作，藉此保护系统整体的安全。图9 具备过温度遮断功能的热力型FETMOSFET IC的电气特性图10是Power MOSFET IC的等价电路与关键性参数特性，虽然这些特性项目与破坏耐量都是MOSFET IC高性能的理想指针，不过基本上例如ON阻抗RDS(on)与耐压VDSS等典型的互动关系中，已经与其它特性发生密不可分的关系。此外在各特性项目中并不是所有特性都有温度依存性(互动关系)，换言之具体掌握Power MOSFET IC的电气特性，对设计者选择适合的MOSFET具有决定性的影响。 图10 Power MOSFET IC的等价电路与关键性参数MOSFET IC的Rw，Lg，Ls等参数(parame