高效的AC/DC SMPS与DC/DC转换器是现代功率架构的主干，用于驱动诸如电信或计算机此类系统。为了满足市场这些转换器的需求，英飞凌科技推出了全新的100V MOSFET系列器件。该系列器件以电荷平衡为基础，可大幅度降低导通电阻。通过结合应用低栅电荷、高开关速度、卓越的抗雪崩能力以及改进的体内二极体(body-diode)特性，这些器件适用于多种不同的应用。

1. 简介

今天，电信与计算系统中的嵌入式功率系统面临着功率密度日益增加所带来的挑战。尽管功率要求不断提高，但功率系统空间最多保持不变。这些需求只有通过更高的系统效率来满足。

改进可在不同的级别实现——系统、转换器和器件级别。新的功率架构可降低系统级别的损耗。优化AC/DC和DC/DC转换器的拓扑结构可提高转换器级别的效率。新型MOSFET技术可提升器件级别的效率。MOSFET是功率转换器中的关键组件。更好的技术可使现有拓扑结构采用更具挑战性的操作条件——增加开关频率甚至可以改变其他拓扑结构。

英飞凌的新型OptiMOS 2 100V技术可提供当今市场上最快的开关速度和最低的导通电阻。此外，带有超低栅电荷的高速系列(HS系列)可进一步将速度提升33%.

2. 新型OptiMOS 2 MOSFET的先进理念

功率MOSFET的补偿理念是在1998年上市的600-V CoolMOS产品中推出的。与传统功率MOSFET相比，Rds(on)∙A大幅度降低的基本原理是由位于P柱的受体对N漂移区的施体进行补偿。

对于击穿电压低于200V的应用而言，沟槽场极板MOSFET是很好的选择。场极板的应用可明显改善器件的性能。器件包含深入大部分N漂移区的深沟槽。绝缘深源电极通过厚氧化层与N漂移区隔离开，并作为场极板提供阻断条件下平衡漂移区施体所需的移动电荷。厚场极板绝缘必须能够承受沟槽底部的阻断电压。相应地，以微米为单位的氧化物厚度也必须小心控制，避免底部沟槽角落的氧化物过薄，并防止出现应力导致的缺陷。与标准MOS结构不同(标准MOS结构的电场线性下降，在体/漂移区pn结合部下降到最大值)，场极板可带来几乎恒定的电场分布，因此可缩短面向既定击穿电压的漂移区长度。此外，漂移区掺杂度可有所提高，降低了导通电阻。

实际上，Rds(on)∙A甚至可降低到低于所谓的“硅极限值”——既定击穿电压下理想p+n-结点的导通电阻。场极板和沟槽栅MOSFET的结合应用可带来当今市场上最低的电阻和最快的硅开关技术。

3. 应用优点

在嵌入式功率系统中，目前面向100V MOSFET的主要应用有三种：AC/DC前端同步整流开关(输出电压12-20V)、48V宽范围电源母线上的功率开关以及利用48V电源母线进行操作的隔离式DC/DC转换器的原边侧主开关。极低的Rds(on)值对以上所有应用都有利。100V OptiMOS 2技术的其他功能适用于其中的一些具体应用。

电荷平衡的应用使OptiMOS 2 100V技术在大多数应用领域都具有很强的竞争力。这种技术可使在单一器件里同时实现基准性关键参数如Rds(on)、Qg、Qgd、Crss/Ciss比值和卓越的抗雪崩能力等。低导通电阻Rds(on)(12.5mΩ(max)@D-Pak，5.1mΩ(max)@D²-Pak)加上快速开关能力以及卓越的抗雪崩能力使OptiMOS 2 100V成为安全、高性能和高功率密度应用的正确选择。

（1）抗雪崩能力

虽然电感负载在电机控制及相似应用中存在，但在嵌入式功率系统中并没有， 因此MOSFET安全处理雪崩事件的能力至关重要。上述所有应用可能要面对诸如雷击或其他不可预见性事件所造成的故障，使这些设备处于雪崩状态。可靠的抗雪崩能力确保系统安全运行，即使在这些糟糕状况下。

在硅技术级，有两种机制可以在雪崩期间提供电荷载体。

第一种机制与MOSFET中寄生npn晶体管的导通有关。这是一种非热破坏，因为它是由电流通过p基区造成的。一旦该区域的压降大到可以顺向偏压绕过基极发射极势垒，晶体管就会导通。该机制具有自动放大功能，可导致电流限制型雪崩特性。对于功率MOSFET来说，这种限制并不有利，因为只要达到临界电流水平，即使是非常低的能量都足以破坏设备。

第二种机制与载体的雪崩产生相关。设备上的过电压足以将单个自由电子加速至可以再次产生自由电子的水平，从而带来连锁反应。设备中的能量耗散分布在漂移区。在该机制下，设备雪崩能力限制是由该设备吸收(热)能量的能力决定的。这个故障机制被称为热破坏机制。

与以前的技术相比，全新100V OptiMOS 2设备具有强大的抗雪崩能力。

（2）对动态导通的抗扰性

降低SMPS里的功率损耗最有效的工具就是将二次侧整流从无源系统(使用二极管)变为有源同步整流(使用MOSFET)。对于输出电压12V-24V(取决于拓扑结构)的应用而言，100V MOSFET是同步整流的正确选择。由于有相应的传导损耗，Rds(on) 成为同步整流的关键参数。

但用于二次侧整流的MOSFET也带来了额外的风险。其中最显著的方面是动态导通。在硬开关拓扑结构中，当器件开始阻断时，可能有非常大的从漏极到源极的dv/dt值。这种dv/dt值通过电容性Cgd/Cgs分压器与栅极联系起来，并可动态接通相关器件。在这种情况下将形成短路，导致MOSFET和变压器损耗大幅度提高。

（3）最低的FOMg和FOMgd值

有效功率转换的最高需求是在面向电信和服务器电源以及类似系统的DC/DC功率转换领域。这些转换器要求以有效方式提供最高的电流。这只有通过利用最先进的组件和拓扑结构并采用250kHz及以上的开关频率才能实现。

对于标准48V宽范围系统而言，100V MOSFET通常作为半桥或全桥拓扑结构中的原边侧主开关。由于开关频率非常高，需要低导通电阻Rds(on)亦需要低栅电荷Qg。FOMG(Rds(on)∙Qg)因此成为MOSFET选择的一个可靠衡量尺度。此外，与开断损耗直接相关的Qgd也同样重要。注意，整体效率仅增加1%将意味着MOSFET开关温度下降17°C。D类放大器也有类似的要求，在D类放大器中，MOSFET运行在半桥或全桥拓扑结构里。

4. 结论

100V MOSFET的应用涵盖众多要求。新型OptiMOS2 100V系列采用了先进的MOSFET技术，可为安全、快速开关和最低电阻功率MOSFET器件提供所需的特性(参见图1)。

参考资料
[1] G. Deboy, M. März, J.-P. Stengl, H. Strack, J. Tihanyi and H. Weber. A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit line of silicon, Proc. IEDM, 683-685, 1998
[2] L. Görgens, D. Ahlers and J. M. Martinez Sanchez. New Opportunities in DC/DC Conversion with Recent Developments of MOSFET Technologies, Proc. EPE, Dresden, 2005

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