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通過功率 MOSFET 技術(shù)創(chuàng)新加速提高效率

出處:維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于:2023-05-08 15:18:57

MOSFET 技術(shù)自問世以來就被廣泛認(rèn)為是電源管理電路中開關(guān)的選擇。自 20 世紀(jì) 70 年代后期開始商用,垂直擴(kuò)散 MOSFET (VDMOS) 結(jié)構(gòu)率先滿足了電源開關(guān)的需求。1由于其卓越的開關(guān)性能和高輸入阻抗,MOSFET 迅速成為雙極技術(shù)的有吸引力的替代品。然而,它在電力電子行業(yè)的應(yīng)用受到高導(dǎo)通電阻的限制,這限制了 VDMOS 的電流處理能力。在中壓 VDMOS 中,限制通道電流流入外延生長漂移區(qū)的本征通道電阻和 JFET 區(qū)域是總導(dǎo)通電阻 (RDS(on) ) 在漏極和源極之間(圖 1a)。

克服這一限制需要十多年的器件設(shè)計(jì)和工藝工程進(jìn)展,終導(dǎo)致了 1980 年代后期個(gè)溝槽柵極 MOSFET 的商業(yè)化。通過在垂直方向上移動(dòng)通道,該器件概念能夠在不對電流擴(kuò)散產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下減小單元間距。JFET 區(qū)域的虛擬消除顯著降低了導(dǎo)通電阻(圖 1b)。然而,單元密度的顯著增加不僅使溝槽 MOSFET 成為平面技術(shù)的競爭替代品,而且也帶來了顯著的缺點(diǎn)。

柵極-漏極電容(與外延漂移區(qū)中的溝槽-柵極滲透有關(guān))和柵極-源極電容(溝槽柵極和體/源擴(kuò)散之間的總電容)隨溝槽數(shù)量(即,隨單元密度)線性增加。連同導(dǎo)通電阻的次線性縮放,這顯著影響技術(shù)品質(zhì)因數(shù) (FOM) FOM g = R DS(on) × Q g。由于 MOSFET 通過其柵極端子進(jìn)行獨(dú)特控制,因此柵極驅(qū)動(dòng)器電路必須提供總柵極電荷(Q g)需要打開晶體管。在高開關(guān)頻率應(yīng)用的情況下,的柵極電荷是可取的,因?yàn)樗杀壤亟档土蓑?qū)動(dòng)損耗??倴艠O電荷的一部分與控制漏極電壓瞬變的柵極到漏極電荷 (Q gd ) 相關(guān)聯(lián)。較高的 Q gd會(huì)影響瞬態(tài)速度,增加開關(guān)損耗并迫使使用更長的死區(qū)時(shí)間。很明顯,需要采取具體措施來減少總體柵極和柵極漏極電荷。

圖 1:描述功率 MOSFET 演變的示例性器件結(jié)構(gòu)

一個(gè)新時(shí)代始于引入電荷補(bǔ)償結(jié)構(gòu),利用與超結(jié)器件相同的原理。引入使用絕緣深場板作為柵電極延伸的器件,可以在關(guān)閉狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)漂移區(qū)的橫向耗盡(圖 1c)。2橫向耗盡改變了整個(gè)結(jié)構(gòu)的電場分布,允許在更短的長度內(nèi)阻斷相同的電壓。因?yàn)殡妶霈F(xiàn)在可以由更薄和更重?fù)诫s的漂移區(qū)來支持,所以可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻的顯著降低。值得注意的是,場板(作為柵電極的延伸)導(dǎo)致反向傳輸電容 C gd的顯著增加(因此還有 Q gd和 Q g)以及對漏極電壓的非線性依賴性。

關(guān)鍵詞:MOSFET

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MOSFET場效應(yīng)管在設(shè)計(jì)選型和維修代換時(shí)需要考慮哪些參數(shù)呢?
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