理解超级结技术

1、理解超级结技术基于超级结技术的功率已成为高压开关转换器领域的业界规范。它们提供更低的rds(on)，同时具有更少的栅极和和输出电荷，这有助于在随意给定频率下保持更高的效率。在超级结mosfet浮现之前，高压器件的主要设计平台是基于平面技术。但高压下的迅速开关会产生ac/dc电源和方面的挑战。从平面对超级结mosfet过渡的设计工程师经常为了照看电磁干扰(emi)、尖峰及噪声考虑而牺牲开关速度。本应用指南将比较两种平台的特征，以便充分理解和用法超级结技术的优点。为了理解两种技术的差异，我们需要从基础开头。图1a显示了一种传统平面式高压mosfet的容易结构。平面式mosfet通常具有高单位芯片面

2、积漏源导通，并陪同相对更高的漏源电阻。用法高单元密度和大管芯尺寸可实现较低的rds(on)值。但大单元密度和管芯尺寸还陪同高栅极和输出电荷，这会增强开关损耗和成本。另外还存在对于总硅片电阻能够达到多低的限制。器件的总rds(on)可表示为通道、epi和衬底三个重量之和：rds(on) = rch + repi + rsub图1a 传统平面式mosfet结构图1b 平面式mosfet的电阻性元件图1b显示平面式mosfet状况下构成rds(on) 的各个重量。对于低压mosfet，三个重量是相像的。但随着额定电压增强，外延层需要更厚和更轻掺杂，以阻断高压。额定电压每增强一倍，维持相同的rds(o

3、n)所需的面积就增强为本来的五倍以上。对于额定电压为600 v的mosfet，超过95%的电阻来自外延层。明显，要想显著减小rds(on)的值，就需要找到一种对漂移区举行重掺杂的办法，并大幅减小epi电阻。图2 超级结mosfet结构图3 平面和超级结mosfet的电压与导通电阻比较图2显示了基于电荷平衡概念的超级结mosfet物理结构。漂移区现在有多个p柱，用于消退处于反向偏压下的周围n区中的电荷。因此，nepi现在可更薄和重掺杂，由于其组合结构可对施加反向电压提供高无数的电阻。因为n区变得越发重掺杂，所以其单位面积导通电阻减小。图3比较了两种技术的漂移区电场与epi厚度的关系。在传统平面式

4、mosfet中，阻断电压由epi厚度和掺杂(nd+)定义，或由掺杂线的斜率定义。假如需要额外阻断电压，不仅epi需要更厚，而且epi掺杂线也需要转变。这导致较高电压mosfeet的rds(on)不成比例增强。额定电压每增强一倍，在保持相同管芯尺寸条件下，rds(on)可能增至本来的三至五倍。对于给定的阻断电压，超级结mosfet可用法比传统平面式器件(a1 + a3)更薄的epi(a1 + a2)。n区(nd+)的掺杂被p柱(na-)的掺杂抵消，导致没有斜率。换言之，由于电荷平衡机制，定义阻断电压的惟独epi厚度。因此，超级结结构的导通电阻和击穿电压之间存在线性关系。导通电阻随着击穿电压的增强

5、而线性增强。对于相同的击穿电压和管芯尺寸，超级结mosfet的导通电阻远小于传统平面式器件。提供的超级结器件为e系列高压mosfet，额定电压范围为500 v - 650 v。这些器件提供从小smt占位面积(如powerpak? so8和powerpak 8 x 8)到标准to-xxx封装的各种封装选项。典型比导通电阻的变幻范围为20 m -cm2至10 m-cm2，详细取决于击穿电压和用法哪一代技术。传统平面式mosfet的导通电阻x 面积之积有三至五倍高，同样取决于额定电压。例如，to-220封装600 v器件可实现的最低rds(on)为275 m，而来自vishay的同样封装超级结器件可

6、低至50 m。固然，对于每一代新的设计平台，未来会提供具有更低rds(on)的更好器件。容值对超级结器件而言，电阻的减小会带来显然的益处，例如在相同rds(on)下的更低导通损耗或更小管芯。另外，芯片面积的减小会导致更低的容值以及栅极和输出电荷，这可减小动态损耗。在低压沟槽式或平面式mosfet中，通常需要考虑以更高容值为让步条件来降低rds(on)。在超级结技术状况下，让步程度是最小的。电荷平衡机制可同时减小rds(on)和器件容值，使之成为一种双赢解决计划。表1比较了具有临近rds(on)值的两种器件的特征。除eas和ias外，超级结器件的每个参数均实现15 % - 25 %的充实。这是由

7、于超级结器件虽然rds(on)只减小了20%，但其管芯尺寸惟独平面式器件的三分之一。更小的尺寸会影响额定和功率。大管芯尺寸具有更低的电流密度和更好的散热能力。因此，对于给定的导通电阻，传统平面式mosfet天生比超级结器件更结实。但在通常用于高压电源转换器的电流和开关频率下，超级结器件始终具有更低的损耗和更高的效率。表2显示了500 v器件的比较。sihg32n50d是一款具有125 m?典型rds(on)额定值的平面式mosfet。其管芯尺寸大，事实上是适合to-247封装的最大管芯。这可与采纳更小的隔离式细引线to-220f封装的超级结siha25n50e相比，后者提供相同的rds(on)

8、，但除uis结实性以外，规格表的每个参数都更好。应该注重的是，vishay在式开关规格降额方面相当保守，对测量故障电流施加100%的降额因子，相当于针对uis能量eas的降额因子为4。图4定义了提供有电荷规格的器件的容值。对于上文比较的两种600 v器件，容值曲线5所示。请注重容值采纳对数式标度。图4 mosfet容值定义图5 平面式sihp17n60d和超级结sihp15n60e mosfet的容值比较栅极电荷考虑事项在任何开关中，栅极驱动设计都要考虑开关速度与噪声这一对冲突。超级结器件在高压下提供高开关速度，这也需要特殊注重驱动设计。设计不佳可能造成电压尖峰、开关不稳定和更高的emi。与超

9、低容值有关的另一个重要考虑是对耦合和噪声的敏捷性增强，表现为栅源振荡。设计工程师因此不得不通过引入高栅极电阻或低驱动电流来减慢开关速度，终于使系统效率降低。图4和图5显示了来自该应用指南的栅极电荷曲线，它描绘了vds在栅极放电和充电时的升高和下降。通常，mosfet的qgd可用于估量开关期间vds电压的升高和下降时光。假设用恒定电流源驱动栅极，则tvfall = qgd / igon，tvrise = qgd / igoff。这种容易模型不能用于超级结器件，超级结器件的结构和开关行为更为复杂。例如，图6显示了sihp33n60e的栅极电荷曲线，vds曲线叠加于其上。与平面式器件相比，超级结mo

10、sfet的一个特征是其容值(vds的函数)的宽变幻范围。在超级结mosfet中，因为crss在0 v - 600 v范围内的100:1下降，所以观看到的开关持续时光远小于从产品数据表qgd值估量得到的数据。虽然没有分析办法可用来预测实际过渡时光(这取决于应用条件)，但设计工程师应该知道可用法更低栅极驱动电流来实现优异的开关性能。与平面式mosfet器件相比，这使超级结器件可用法尺寸更小、成本更低的栅极驱动器。图6 sihp15n60e的栅极电荷与vds关系曲线图7 sihp15n60e的容值和储存能量与vds关系曲线coss、co(tr)、co(er)和eoss图5还显示了超级结器件的coss

11、低近40%，导致更少的储存能量和更快的开关速度，同时实现更低损耗。全部mosfet的输出容值coss均表现出与施加电压vds有关的非线性特征。这种非线性在超级结mosfet状况下更显著，具有100:1的变幻率，电压值的范围为0 v - 600 v。这给需要针对coss储存电荷和能量有效值的设计工程师带来了挑战。超级结器件产品数据表通常提供针对coss的两个有效值，定义如下：co(tr) - 定义固定的值，其在80%额定电压下具有与可变coss相同的储存电荷。co(er) - 定义固定电容的值，其在80%额定电压下具有与可变coss相同的储存能量。有几项讨论都强调了储存能量eoss在不同工作条件

12、下对系统效率的影响。因为意识到这一重要性，vishay已开头提供针对全部高压mosfet的完整eoss曲线，向来到图7所示的额定电压。体特征因为具有更低的rds(on)和低容值，超级结mosfet还是包括zvs桥在内的全部高频开关应用的器件之选。在zvs或同步应用中，mosfet的体二极管不举行硬式整流。二极管电流经过软式整流后流向mosfet通道，在mosfet关断时二极管复原电压阻断功能。但这并不意味着可以想固然地认为，在zvs桥应用中，在包括瞬态大事在内的全部工作条件下都具有二极管复原功能。更低的qrr、短势垒周期和软复原特征仍然是重要的要求。与平面式器件相比，超级结mosfet没有qrr 和trr较低的优点，因而更适合zvs应用。但体二极管复原阻断电压的能力被认为十分重要，所以应该进一步充实复原特征。意识到这一需要，vishay已推出ef系列超级结mosfet，在创造中采纳额外的工艺，使体二极管的qrr减小了5-7倍。结论超级结结构是高压mosfet技术的重大进展并具有显著优点