利用屏蔽柵極功率 MOSFET 技術(shù)降低傳導和開關(guān)損耗

監(jiān)管機構(gòu)與終端客戶對DC/DC電源效率的要求越來越高。新的設計要求更低的導通阻抗，同時不能影響非鉗位電感性開關(guān)(UIS)能力或者不增加開關(guān)損耗。屏蔽柵極MOSFET可為30～200V范圍的DC/DC電源設計人員提供相關(guān)解決方案?，F(xiàn)在，通過提高開關(guān)性能，導通阻抗Rds(on)已能降低50%及以上，從而提高效率，為更高頻率工作創(chuàng)造條件。本文討論了屏蔽柵極MOSFET在中等電壓MOSFET(40～300V)應用中的優(yōu)勢。

電源設計挑戰(zhàn)
DC/DC設計人員一直面臨著提高效率和功率密度的挑戰(zhàn)。而功率MOSFET技術(shù)的不斷進步幫助他們得以實現(xiàn)這一目標。導通阻抗Rds(on)和柵極電荷Qg中，一般總是一個減小則另一個增大，故功率MOSFET設計人員必須考慮到二者之間的權(quán)衡。一種新的溝槽MOSFET工藝可以做到減小Rds(on)，卻不影響Qg。這種技術(shù)就是屏蔽柵極技術(shù)。它能夠減小中壓MOSFET中導通阻抗的關(guān)鍵分量——與漏源擊穿電壓(BVdss)有關(guān)的外延阻抗(epi resistance)。如圖1所示，這種技術(shù)特別適用于大于100V的應用領域。

圖1 傳統(tǒng)溝槽技術(shù)中Rds(on)的各個分量

圖1所示為額定30V與100V的傳統(tǒng)溝槽MOSFET的Rds(on)分量的比較。對于100V的器件，Rds(on)中外延分量百分比要大得多。而利用屏蔽柵極這樣的電荷平衡技術(shù)，外延阻抗可降低一半以上，同時不會增加總的Qg或Qgd分量。

電荷平衡技術(shù)
圖2對傳統(tǒng)器件與屏蔽柵極溝槽器件的橫截面進行了比較。后者通過整合一個屏蔽電極來實現(xiàn)電荷平衡，支持該電壓區(qū)域的阻抗和長度都被減小，從而大幅降低Rds(on)。

圖2 (a)傳統(tǒng)器件
    (b)屏蔽柵極電荷平衡溝槽結(jié)構(gòu)

此外，屏蔽電極位于柵極電極之下，后者把傳統(tǒng)溝槽MOSFET底部的大部分柵漏極電容(Cgd或Crss)都轉(zhuǎn)換為柵源極電容(Cgs)。于是，屏蔽電極就把柵極電極與漏極電勢隔離開來。

圖3比較了具有相等Rds(on)的傳統(tǒng)MOSFET與屏蔽柵極溝槽MOSFET的電容分量。由于Crss減小，從關(guān)斷切換到導通狀態(tài)，或從導通切換到關(guān)斷狀態(tài)所需的時間縮短，開關(guān)損耗因此被降至最低。特別地，如圖4所示，減小Qgd，可把器件同時加載高壓和大電流的時間縮至最短，從而減小開關(guān)能耗。

圖3 在20A Rds(on) 5.7mΩ的相同條件下，傳統(tǒng)器件與屏蔽柵極溝槽器件的電容分量的比較[!--empirenews.page--]

圖4 在20A Rds(on) 5.7mΩ的相同條件下，傳統(tǒng)溝槽器件和屏蔽柵極溝槽器件在20A/50V時的Qg曲線的比較

另外，屏蔽層及其阻抗相當于一個內(nèi)建緩沖電阻(snubbing resistance，(Rshield))－電容(Cdshield)網(wǎng)絡，如圖3中的Coss分量所描述。這個緩沖網(wǎng)絡可減慢開關(guān)從低壓向高壓的轉(zhuǎn)換速度。屏蔽柵極的這一特性有助于減少開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的EMI、dv/dt引起的誤導通和雪崩效應。

DC/DC 1/16磚模塊的性能提高
在輸入電壓48V、輸出3.3V、工作頻率400kHz、電流范圍10～20A的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器初級端中，對飛兆半導體FDMS86252 150V屏蔽柵極MOSFET與同類產(chǎn)品進行比較。結(jié)果如圖5所示。從圖中可看到，由于采用了屏蔽柵極技術(shù)，F(xiàn)DMS86252的效率最少可提高0.4%，這就意味著至少0.32W的功率節(jié)省，看似微不足道，但對DC/DC設計來說卻至關(guān)重要，因為要滿足相關(guān)規(guī)范要求，每一個百分點的效率提高都非常珍貴。

圖5 在一個48VVIN，3.3VVOUT，400kHz工作頻率的隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器中，飛兆半導體FDMS86252 150V屏蔽柵極MOSFET與同類產(chǎn)品的比較

總結(jié)
相比前幾代技術(shù)，飛兆半導體新推出的PowerTrench MOSFET技術(shù)具有更好的Rds(on)和Qg。這種技術(shù)讓電源設計人員能夠把效率和功率密度提高到一個新的水平。