理解超級結技術

　　基于超級結技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉換器領域的業(yè)界規(guī)范。它們提供更低的RDS(on)，同時具有更少的柵極和和輸出電荷，這有助于在任意給定頻率下保持更高的效率。在超級結MOSFET出現(xiàn)之前，高壓器件的主要設計平臺是基于平面技術。但高壓下的快速開關會產生AC/DC電源和逆變器方面的挑戰(zhàn)。從平面向超級結MOSFET過渡的設計工程師常常為了照顧電磁干擾(EMI)、尖峰電壓及噪聲考慮而犧牲開關速度。本應用指南將比較兩種平臺的特征，以便充分理解和使用超級結技術的優(yōu)點。

　　為了理解兩種技術的差異，我們需要從基礎開始。圖1a顯示了一種傳統(tǒng)平面式高壓MOSFET的簡單結構。平面式MOSFET通常具有高單位芯片面積漏源導通電阻，并伴隨相對更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實現(xiàn)較低的RDS(on)值。但大單元密度和管芯尺寸還伴隨高柵極和輸出電荷，這會增加開關損耗和成本。另外還存在對于總硅片電阻能夠達到多低的限制。器件的總RDS(on)可表示為通道、epi和襯底三個分量之和：

　　RDS(on) = Rch + Repi + Rsub

　　圖1a – 傳統(tǒng)平面式MOSFET結構

　　圖1b – 平面式MOSFET的電阻性元件

　　圖1b顯示平面式MOSFET情況下構成RDS(on) 的各個分量。對于低壓MOSFET，三個分量是相似的。但隨著額定電壓增加，外延層需要更厚和更輕摻雜，以阻斷高壓。額定電壓每增加一倍，維持相同的RDS(on)所需的面積就增加為原來的五倍以上。對于額定電壓為600 V的MOSFET，超過95%的電阻來自外延層。顯然，要想顯著減小RDS(on)的值，就需要找到一種對漂移區(qū)進行重摻雜的方法，并大幅減小epi電阻。

　　圖2 – 超級結MOSFET結構

　　圖3 – 平面和超級結MOSFET的電壓與導通電阻比較

　　圖2顯示了基于電荷平衡概念的超級結MOSFET物理結構。漂移區(qū)現(xiàn)在有多個P柱，用于消除處于反向偏壓下的周圍N區(qū)中的電荷。因此，Nepi現(xiàn)在可更薄和重摻雜，因為其組合結構可對施加反向電壓提供高很多的電阻。由于N區(qū)變得更加重摻雜，所以其單位面積導通電阻減小。

　　圖3比較了兩種技術的漂移區(qū)電場與epi厚度的關系。在傳統(tǒng)平面式MOSFET中，阻斷電壓由epi厚度和摻雜(ND+)定義，或由摻雜線的斜率定義。如果需要額外阻斷電壓，不僅epi需要更厚，而且epi摻雜線也需要改變。這導致較高電壓MOSFEET的RDS(on)不成比例增加。額定電壓每增加一倍，在保持相同管芯尺寸條件下，RDS(on)可能增至原來的三至五倍。

　　對于給定的阻斷電壓，超級結MOSFET可使用比傳統(tǒng)平面式器件(A1 + A3)更薄的epi(A1 + A2)。N區(qū)(ND+)的摻雜被P柱(NA-)的摻雜抵消，導致沒有斜率。換言之，因為電荷平衡機制，定義阻斷電壓的只有epi厚度。因此，超級結結構的導通電阻和擊穿電壓之間存在線性關系。導通電阻隨著擊穿電壓的增加而線性增加。對于相同的擊穿電壓和管芯尺寸，超級結MOSFET的導通電阻遠小于傳統(tǒng)平面式器件。

　　Vishay提供的超級結器件為E系列高壓MOSFET，額定電壓范圍為500 V - 650 V。這些器件提供從小SMT占位面積(如PowerPAK® SO8和PowerPAK 8 x 8)到標準TO-xxx封裝的各種封裝選項。典型比導通電阻的變化范圍為20 mΩ -cm2至10 mΩ-cm2，具體取決于擊穿電壓和使用哪一代技術。傳統(tǒng)平面式MOSFET的導通電阻x 面積之積有三至五倍高，同樣取決于額定電壓。例如，TO-220封裝600 V器件可實現(xiàn)的最低RDS(on)為275 mΩ，而來自Vishay的同樣封裝超級結器件可低至50 mΩ。當然，對于每一代新的設計平臺，將來會提供具有更低RDS(on)的更好器件。

　　容值

　　對超級結器件而言，電阻的減小會帶來明顯的好處，例如在相同RDS(on)下的更低導通損耗或更小管芯。另外，芯片面積的減小會導致更低的容值以及柵極和輸出電荷，這可減小動態(tài)損耗。在低壓溝槽式或平面式MOSFET中，通常需要考慮以更高容值為讓步條件來降低RDS(on)。在超級結技術情況下，讓步程度是最小的。電荷平衡機制可同時減小RDS(on)和器件容值，使之成為一種雙贏解決方案。

　　表1比較了具有接近RDS(on)值的兩種器件的特征。除Eas和Ias外，超級結器件的每個參數(shù)均實現(xiàn)15 % - 25 %的改善。這是因為超級結器件雖然RDS(on)只減小了20%，但其管芯尺寸只有平面式器件的三分之一。更小的尺寸會影響額定電流和功率。大管芯尺寸具有更低的電流密度和更好的散熱能力。因此，對于給定的導通電阻，傳統(tǒng)平面式MOSFET天生比超級結器件更堅固。但在通常用于高壓電源轉換器的電流和開關頻率下，超級結器件始終具有更低的損耗和更高的效率。

　　表2顯示了500 V器件的比較。SiHG32N50D是一款具有125 m?典型RDS(on)額定值的平面式MOSFET。其管芯尺寸大，實際上是適合TO-247封裝的最大管芯。這可與采用更小的隔離式細引線TO-220F封裝的超級結SiHA25N50E相比，后者提供相同的RDS(on)，但除UIS堅固性以外，規(guī)格表的每個參數(shù)都更好。應當注意的是，Vishay在電感式開關規(guī)格降額方面相當保守，對測量故障電流施加100%的降額因子，相當于針對UIS能量Eas的降額因子為4。

　　圖4定義了提供有電荷規(guī)格的器件的容值。對于上文比較的兩種600 V器件，容值曲線如圖5所示。請注意容值采用對數(shù)式標度。

　　圖4 – MOSFET容值定義

　　圖5 – 平面式SiHP17N60D和超級結SiHP15N60E MOSFET的容值比較

　　柵極電荷考慮事項

　　在任何開關電路中，柵極驅動設計都要考慮開關速度與噪聲這一對矛盾。超級結器件在高壓下提供高開關速度，這也需要特別注意驅動設計。設計不佳可能造成電壓尖峰、開關不穩(wěn)定和更高的EMI。與超低容值有關的另一個重要考慮是對耦合和噪聲的靈敏性增加，表現(xiàn)為柵源振蕩。設計工程師因此不得不通過引入高柵極電阻或低驅動電流來減慢開關速度，最終使系統(tǒng)效率降低。

　　圖4和圖5顯示了來自該應用指南的柵極電荷曲線，它描繪了VDS在柵極放電和充電時的上升和下降。通常，MOSFET的Qgd可用于估計開關期間VDS電壓的上升和下降時間。假設用恒定電流源驅動柵極，則tvfall = Qgd / Igon，tvrise = Qgd / Igoff。

　　這種簡單模型不能用于超級結器件，超級結器件的結構和開關行為更為復雜。例如，圖6顯示了SiHP33N60E的柵極電荷曲線，VDS曲線疊加于其上。與平面式器件相比，超級結MOSFET的一個特征是其容值(VDS的函數(shù))的寬變化范圍。在超級結MOSFET中，由于Crss在0 V - 600 V范圍內的100:1下降，所以觀察到的開關持續(xù)時間遠小于從產品數(shù)據(jù)表Qgd值估計得到的數(shù)據(jù)。雖然沒有分析方法可用來預測實際過渡時間(這取決于應用條件)，但設計工程師應當知道可使用更低柵極驅動電流來實現(xiàn)優(yōu)異的開關性能。與平面式MOSFET器件相比，這使超級結器件可使用尺寸更小、成本更低的柵極驅動器。

　　圖6 – SiHP15N60E的柵極電荷與VDS關系曲線

　　圖7 – SiHP15N60E的容值和儲存能量與VDS關系曲線

　　Coss、Co(tr)、Co(er)和Eoss

　　圖5還顯示了超級結器件的Coss低近40%，導致更少的儲存能量和更快的開關速度，同時實現(xiàn)更低損耗。所有MOSFET的輸出容值Coss均表現(xiàn)出與施加電壓VDS有關的非線性特征。這種非線性在超級結MOSFET情況下更顯著，具有100:1的變化率，電壓值的范圍為0 V - 600 V。這給需要針對Coss儲存電荷和能量有效值的設計工程師帶來了挑戰(zhàn)。超級結器件產品數(shù)據(jù)表通常提供針對Coss的兩個有效值，定義如下：

　　Co(tr) - 定義固定電容的值，其在80%額定電壓下具有與可變Coss相同的儲存電荷。

　　Co(er) - 定義固定電容的值，其在80%額定電壓下具有與可變Coss相同的儲存能量。

　　有幾項研究都強調了儲存能量Eoss在不同工作條件下對系統(tǒng)效率的影響。由于意識到這一重要性，Vishay已開始提供針對所有高壓MOSFET的完整Eoss曲線，一直到圖7所示的額定電壓。

　　體二極管特征

　　由于具有更低的RDS(on)和低容值，超級結MOSFET還是包括ZVS橋在內的所有高頻開關應用的器件之選。在ZVS或同步應用中，MOSFET的體二極管不進行硬式整流。二極管電流經過軟式整流后流向MOSFET通道，在MOSFET關斷時二極管恢復電壓阻斷功能。但這并不意味著可以想當然地認為，在ZVS橋應用中，在包括瞬態(tài)事件在內的所有工作條件下都具有二極管恢復功能。更低的Qrr、短勢壘周期和軟恢復特征仍然是重要的要求。與平面式器件相比，超級結MOSFET沒有Qrr 和trr較低的優(yōu)點，因而更適合ZVS應用。但體二極管恢復阻斷電壓的能力被認為非常重要，所以應當進一步改善恢復特征。意識到這一需要，ViShay已推出EF系列超級結MOSFET，在制造中采用額外的工藝，使體二極管的Qrr減小了5-7倍。

　　結論

　　超級結結構是高壓MOSFET技術的重大發(fā)展并具有顯著優(yōu)點，其RDS(on)、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時得到降低。為充分利用這些快速和高效器件，設計工程師需要非常注意其系統(tǒng)設計，特別是減小PCB寄生效應。超級結MOSFET具有低很多的柵極電荷，并可用低電流柵極驅動器驅動。其輸出容值盡管是高度非線性的，但提供較低的儲存能量Eoss及相關輸出損耗。Vishay超級結器件提供各種封裝、額定電壓和體二極管特征，以適合廣泛的應用需要。