HID燈鎮(zhèn)流器中UniFET II MOSFET的性能和效率

　　UniFET II MOSFET

　　功率MOSFET的結(jié)構(gòu)及其故障機(jī)理

　　功率MOSFET因其柵極驅(qū)動(dòng)功能簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快及其他特性，成為最常用的功率器件。 通常情況下，功率MOSFET采用縱向結(jié)構(gòu)，稱為DMOS(雙擴(kuò)散MOS)。 DMOS功率MOSFET的縱向結(jié)構(gòu)及其等效MOSFET電路如圖1所示。 該縱向結(jié)構(gòu)因漏極和源極位于硅晶圓的兩對(duì)面而適用于高電壓器件，通過(guò)擴(kuò)大外延層(漏極漂移區(qū))可提高高電壓阻隔能力，同時(shí)還可增大溝道導(dǎo)通電阻。

　　在功率MOSFET中，要注意三種類型的異常故障模式，如下所述^[9-10]。

　　寄生BJT誤導(dǎo)通

　　從根本上說(shuō)，寄生雙極結(jié)型晶體管(BJT)的基極和發(fā)射極對(duì)源極金屬來(lái)說(shuō)很普遍。 因此，不應(yīng)激活寄生BJT。 然而，事實(shí)上，基極與源極金屬之間存在極小的體電阻(Rb)，如圖1所示。 如果漏極體電容(Cdb)上出現(xiàn)高強(qiáng)度的dv/dt，則巨大的位移電流便會(huì)流經(jīng)Rb，而且Rb上的電壓將會(huì)變得足夠大(大于-0.65 V)，直至觸發(fā)寄生BJT。 由于負(fù)溫度系數(shù)(NTC)，一旦寄生BJT導(dǎo)通，便會(huì)形成過(guò)熱點(diǎn)，而且還會(huì)集中更多電流，這最終會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生故障?！　?/p>

 

　　nMOS溝道無(wú)意導(dǎo)通

　　dv/dt過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致nMOS溝道意外導(dǎo)通。 如果MOSFET的漏極與源極之間出現(xiàn)的dv/dt過(guò)高，則巨大的位移電流(C_gd × dv/dt)將會(huì)流經(jīng)由柵極至漏極電容(C_gd)、外部柵極電阻(R_g)和并行柵極至源極電容(C_gs)形成的路徑，如圖1(b)所示。 如果C_gs相對(duì)小于C_gd，則更多的電流將流經(jīng)R_g，因此R_g上的壓降將超過(guò)MOSFET的閾值電壓(_VGS(th))。 其結(jié)果是，MOSFET將會(huì)導(dǎo)通，而自熱現(xiàn)象最終會(huì)損壞器件。

　　體二極管反向恢復(fù)故障

　　每一個(gè)功率MOSFET在p體與n外延層的結(jié)點(diǎn)處都有一個(gè)固有體二極管，它可以有效地用作續(xù)流二極管。 但是，與FRD相比，體二極管的反向恢復(fù)特性非常差。 因此，如果在高電流流經(jīng)體二極管期間出現(xiàn)反向恢復(fù)模式，則必然會(huì)流通過(guò)高的直通電流，并最終對(duì)器件造成損壞。

　　UniFET II MOSFET技術(shù)

　　最近，飛兆開(kāi)發(fā)了UniFET II MOSFET，該技術(shù)可通過(guò)優(yōu)化有效單元結(jié)構(gòu)提高外延層條件(厚度和電阻率)下的擊穿電壓。 因此，在額定擊穿電壓相同的條件下，新MOSFET技術(shù)的品質(zhì)因數(shù)要優(yōu)于傳統(tǒng)MOSFET技術(shù)的品質(zhì)因數(shù)，其Q_g*R_DS(on)約為傳統(tǒng)平面MOSFET的一半。 壽命控制流程也得到了應(yīng)用，該流程可提高體二極管的dv/dt強(qiáng)度和反向恢復(fù)性能。

　　壽命控制是一個(gè)在硅能帶中的導(dǎo)電帶和價(jià)電帶之間產(chǎn)生深度陷波電平的流程。 能源陷波電平越深，則電力載波(空穴和電子)的重新組合和重新生成也就越快。 通過(guò)壽命控制，體二極管的某些特性會(huì)顯著提升，比如T_rr、Q_rr和I_rr;而有些特性則會(huì)下降，比如體二極管(V_F)的正向壓降和R_DS(on)^{[8，14-15]}。

　　得到顯著提高的壽命控制流程會(huì)使UniFET II MOSFET擁有卓越的dv/dt特性和體二極管性能。 圖2顯示的是根據(jù)壽命控制集中程度的R_DS(on)與體二極管反向恢復(fù)時(shí)間(T_rr)之間的權(quán)衡關(guān)系。 從圖2中可明顯看出，壽命控制越深入，T_rr特性(即體二極管反向恢復(fù)時(shí)間)也就越短; 然而，過(guò)度的壽命控制會(huì)在逐步提升T_rr的同時(shí)導(dǎo)致R_DS(on)的不必要增大。 根據(jù)壽命控制的集中程度，UniFET II MOSFET可分為普通FET、FRFET和Ultra FRFET^TM MOSFET，其T_rr分別為傳統(tǒng)MOSFET的70%、25%和15%左右。

　　圖3對(duì)UniFET II MOSFET系列、傳統(tǒng)MOSFET和FRD的反向恢復(fù)性能結(jié)果進(jìn)行了比較。 該圖清楚地表明，UniFET II MOSFET系列的反向恢復(fù)特性要優(yōu)于傳統(tǒng)MOSFET，甚至比FRD還要好 – 就UniFET II Ultra FRFET MOSFET來(lái)說(shuō)，在I_pk=2A的情況下，T_rr為35.2 nsec，且i_rr 為2.3 A;但在同等條件下，傳統(tǒng)MOSFET的T_rr為228.2 nsec，且i_rr 為10.5 A，而FRD的T_rr為36.2 nsec，且i_rr 為3.0 A。 更為詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　UniFET II MOSFET的壽命控制流程同樣可提高強(qiáng)健體二極管dv/dt的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)可靠性。 UniFET II MOSFET與傳統(tǒng)MOSFET之間的dv/dt強(qiáng)度比較波形如圖4所示。 傳統(tǒng)MOSFET在6.87 V/nsec的dv/dt下?lián)p壞，而普通UniFET II MOSFET在11.65 V/nsec的dv/dt下仍然可以繼續(xù)使用，這種水平在實(shí)踐中極為少見(jiàn)。

　　通過(guò)優(yōu)化有效單元結(jié)構(gòu)，UniFET II MOSFET的寄生電容也會(huì)顯著降低，從而有利于高頻開(kāi)關(guān)操作。 圖5分別顯示的是傳統(tǒng)平面MOSFET FQPF9N50C和UniFET II MOSFET FDPF8N50NZ的電容特性。 在RDS(on)相同的條件下，UniFET II MOSFET的電容僅僅約為傳統(tǒng)平面MOSFET的一半。