英飛凌汽車(chē)電子生態(tài)圈
引言
隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟從紙張型向數字信息管理型方向發(fā)展，用于數據處理、存儲和網(wǎng)絡(luò )的數據中心在個(gè)人業(yè)務(wù)、學(xué)術(shù)和政府體系等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要的作用。不過(guò)，與此同時(shí)，數據中心的供電和冷卻成本也在不斷攀升。對于現代的數據與電信電源系統，更高的系統效率和功率密度已成為核心焦點(diǎn)，因為小型高效的電源系統意味著(zhù)節省空間和電費賬單。
從拓撲的角度來(lái)看，同步整流器的傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗都更低，能夠提高這些轉換級的效率，因而是開(kāi)關(guān)模式電源次級端的基本構建模塊，在服務(wù)器電源或電信整流器等低壓及大電流應用中非常流行。如圖1所示，它取代了肖特基整流器，可使電壓降變得更小。從器件角度來(lái)看，過(guò)去十年中，功率MOSFET晶體管的進(jìn)展巨大，催生出了新穎的拓撲和高功率密度電源。20世紀早期平面技術(shù)問(wèn)世之后，中低電壓MOSFET迅速被開(kāi)發(fā)出來(lái)，利用溝槽柵技術(shù)來(lái)大幅提高性能。溝槽柵MOSFET是中低電壓電源應用的首選功率器件，其把一個(gè)柵極結構嵌入到精心蝕刻在器件結構上的溝槽區域中。這種新技術(shù)可以提高溝槽密度，并無(wú)需JFET阻抗元件，因此能夠使特征導通阻抗降低30%左右。當MOSFET的導通阻抗與漏極電流的乘積小于二極管正向電壓降時(shí)，同步整流的能量損耗降低。
不過(guò)，在同步整流方面，低導通阻抗并非電源開(kāi)關(guān)的唯一要求。為了降低驅動(dòng)損耗，這些器件的柵極電荷也應該很小。軟體二極管的反向恢復特性有助于削弱電壓尖刺的峰值，從而降低緩沖電路損耗。另外，還有輸出電荷QOSS和反向恢復電荷Qrr造成的開(kāi)關(guān)損耗。因此，中低壓MOSFET的關(guān)鍵參數，如RDS(ON)、QG、QOSS、Qrr和反向恢復特性，直接影響到同步整流系統的效率。被稱(chēng)為PowerTrench MOSFET的新型中壓功率MOSFET，則針對同步整流進(jìn)行了高度優(yōu)化，可為服務(wù)器電源或電信整流器提供更高的效率和功率密度。
針對同步整流進(jìn)行優(yōu)化的功率MOSFET
在開(kāi)關(guān)模式電源中，RDS(ON)×QG FOM（品質(zhì)因數）一般被視為衡量MOSFET性能的唯一重要的指標。因此，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數項提高RDS(ON)×QG FOM的新技術(shù)。雖然這些年來(lái)MOSFET技術(shù)和單元結構經(jīng)歷了巨大的革新，但MOSFET垂直單元結構大致仍可分為三類(lèi)：平面型、溝槽型和橫向型。在這三類(lèi)結構中，溝槽柵MOSFET已成為BVDSS200V的高性能分立式功率MOSFET的主流。這主要是因為這種器件不僅特征導通阻抗特別低，而且能夠在BVDSS范圍內獲得出色的RDS(ON)×QG品質(zhì)因數（FOM）。
溝槽柵結構可以大幅減小溝槽阻抗（Rchannel）和JFET阻抗（RJFET），而對低壓MOSFET（BVDSS200V）來(lái)說(shuō)，JFET阻抗正是造成導通阻抗的主要原因。溝槽結構能夠提供最短的漏-源電流路徑（垂直），以此降低RDS(ON)，利用這種醒目的優(yōu)勢，無(wú)需任何JFET夾斷效應（pinch-off effect）即可提高單元密度。每個(gè)區域的相關(guān)阻抗所占的百分比差異很大，取決于具體的設計與BVDSS。盡管降低傳導損耗必需要降低RDS(ON)，但必須考慮到更高的FOM，對現有最優(yōu)化結構的溝槽深度和寬度進(jìn)行權衡折衷。標準溝槽單元常常有一些變體設計，旨在保持低阻抗，同時(shí)提高FOM。圖2所示的傳統溝槽柵結構通過(guò)增加溝槽的寬/長(cháng)比來(lái)獲得更低的導通阻抗。為了提高開(kāi)關(guān)性能，增大CGS/CGD比，隨之業(yè)界又開(kāi)發(fā)出了在溝槽底部生長(cháng)一層厚氧化層的技術(shù)，如圖3所示。
這種方案不僅有助于減小柵-漏疊加電容CGD，還能改善漂移區阻抗。此外，它也有利于降低導通阻抗與柵極電荷，因為現在可以一方面通過(guò)薄柵極氧化層來(lái)獲得更低的Vth與導通阻抗，同時(shí)又還可以在溝槽底部采用加厚氧化層以獲得最低的CGD。還有一種技術(shù)就是采用電荷平衡或超級結器件結構。它最初是針對高壓器件開(kāi)發(fā)的，現在也可用于低壓器件。利用電荷平衡方案，可以在漂移區獲得兩維電荷耦合，因而能夠在漂移區采用更高的摻雜濃度，最終降低漂移阻抗。相比前代技術(shù)，這種新型中壓功率MOSFET不僅在特征阻抗方面有大幅度改進(jìn)，同時(shí)其原本相當出色的開(kāi)關(guān)特性也得到進(jìn)一步提高。
除了RDS(ON)和QG之外，同步整流結構中的其它參數，如體二極管反向恢復、內部柵極阻抗以及MOSFET的輸出電荷（QOSS），現在也變得更具相關(guān)性。在開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流較高時(shí)，這些損耗元件的重要性便更為明顯。飛兆半導體的中壓MOSFET產(chǎn)品現在開(kāi)始針對二極管反向恢復以及輸出電容的最小化進(jìn)行優(yōu)化。
同步整流的功耗
電源開(kāi)關(guān)的主要功耗是傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。此外還有輸出電容引起的電容性損耗、漏電流造成的關(guān)斷狀態(tài)（off-state）損耗、反向恢復損耗和驅動(dòng)損耗。在高壓大功率應用中，這些損耗常常被忽略；而對于數瓦的應用，眾所周知電容性損耗可能高達總功耗的50%以上。必須注意的一點(diǎn)是，漏電流超標的不合格器件可能導致熱耗散故障，尤其是在環(huán)境溫度高的情況下，然而這是很常見(jiàn)的事。在低壓應用中，驅動(dòng)損耗可占總功耗的很大部分，因為相比高壓開(kāi)關(guān)，低壓開(kāi)關(guān)的傳導損耗非常小。在輕負載條件下，傳導損耗極小，驅動(dòng)損耗更為重要。隨著(zhù)電腦節能拯救氣候行動(dòng)（Climate Savers Computing Initiative）等新的效率規范的推出，驅動(dòng)損耗成為輕載效率的關(guān)鍵因素。驅動(dòng)損耗可通過(guò)下式求得。
公式1
開(kāi)關(guān)頻率和柵極驅動(dòng)電壓屬于設計參數，而柵極電荷值則由數據手冊提供。同步整流與二極管整流器的一個(gè)不同之處是，MOSFET是一種雙向器件。圖5顯示了一般情況下，在傳導期間從源極到漏極流經(jīng)MOSFET溝槽的電流，以及在死區時(shí)間內流經(jīng)體二極管的電流。由于同步整流中，體二極管的導通先于柵極導通，故同步開(kāi)關(guān)可以采用零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)。由于同步整流中，軟開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)導通和關(guān)斷瞬間工作，dVds/vt為零。因此，CGD（因dVds/dt）的電容性電流也為零。
鑒于這種順序，應該謹慎選擇式1中的柵極電荷值。由于導通瞬間同步開(kāi)關(guān)上無(wú)電壓，這時(shí)不會(huì )發(fā)生“米勒效應”。因此，得到的柵極電荷值近似等于總柵極電荷QG減去柵極電荷的柵漏極部分QGD。不過(guò)，這仍然是對驅動(dòng)損耗的樂(lè )觀(guān)估計，實(shí)際中，同步開(kāi)關(guān)的柵極電荷值并不等于簡(jiǎn)單的QG-QGD估算值，這是因為在同步整流中，漏極和源極之間存在一個(gè)負偏壓，而數據手冊中的QG和QGD是利用正偏壓測得的。而且，Vth以下的QSYNC曲線(xiàn)類(lèi)似于Vth以上的斜線(xiàn)，因為同步整流中，零電壓開(kāi)關(guān)期間這兩個(gè)區域的漏源電壓都為零。同步整流的柵極電荷QSYNC可利用圖6所示的簡(jiǎn)單電路，并在Q1和Q2上加載適當的驅動(dòng)信號來(lái)測得。
利用已知的電阻值，可通過(guò)下式求得QSYNC，這樣就可以更準確地估算出柵極驅動(dòng)功耗。同步整流中，QSYNC較小，器件的性能也較好。如圖7所示，同步整流的功率MOSFFET的柵-源電壓上無(wú)平坦區。
公式2
在同步整流中，要降低QSYNC，CGS(Ciss-Crss)是更加關(guān)鍵的因數。如圖8所示，由于設計優(yōu)化，相比4.5毫歐的競爭產(chǎn)品，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的CGS大幅度減小。如表1所示，相比4.5毫歐和3.0毫歐的競爭器件，3.6毫歐PowerTrench MOSFET的QSYNC分別降低了22%和59%。圖9對柵極驅動(dòng)電壓為10V，開(kāi)關(guān)頻率為100kHz的27V同步整流級的驅動(dòng)損耗和傳導損耗之比進(jìn)行了計算和比較。這里有兩個(gè)同步開(kāi)關(guān)，在10%的負載條件下，3.0毫歐競爭產(chǎn)品的驅動(dòng)損耗是傳導損耗的兩倍。
數據手冊上規定的二極管反向恢復時(shí)間（Trr）和反向恢復電荷（Qrr）一般用于正向開(kāi)關(guān)損耗的計算。在利用數據手冊上的Qrr值來(lái)計算損耗時(shí)，須注意一點(diǎn)：體二極管的反向恢復電流是許多參數的函數，比如正向電流IF、反向恢復diF/dt、DC總線(xiàn)電壓和結溫Tj，其中任何一個(gè)參數的增加都會(huì )導致Qrr的提高。數據手冊上的條件通常比典型的轉換器工作條件低。由于開(kāi)關(guān)轉換器需盡可能快地對功率MOSFET進(jìn)行轉換，邊緣速率，如diF/dt，可能比數據手冊上的條件快10倍之多，從而使同步整流的Qrr大大增加。
輸出電荷Qoss和反向恢復電荷Qrr在關(guān)斷開(kāi)關(guān)的同時(shí)也造成損耗。因此，Coss和Qrr產(chǎn)生的功耗可通過(guò)下式求得。
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