《Power_MOSFET_IC的结构与电气特性.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Power_MOSFET_IC的结构与电气特性.doc（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Power MOSFET IC的结构与电气特性Power MOSFET IC(以下简称为MOSFET)广泛应用在各种电源电路与汽车等领域，虽然最近几年MOSFET在高速切换(switching)与低ON阻抗化有相当的进展，不过一般认为未来MOSFET势必会朝高性能方向发展，因此本文要介绍MOSFET IC的构造、电气特性，以及今后技术发展动向。MOSFET IC的构造图1是N channel Power MOSFET IC的断面构造，本MOSFET的gate与source之间，亦即gate pad的周围设有可以防止静电破坏的保护二极管，因此它又称为body diode。马达驱动电路与断电电源供
2、应器(UPS)等DC-AC转换inverter等应用的场合，保护二极管可以充分发挥它的特性。 图1 Power MOSFET IC的构造图2是MOSFET的结构分类，由图可知MOSFET结构上可以分成纵型与横型两种type；纵型type还分成平板(planer)结构与沟槽(trench)结构两种。表1是上述结构特征与主要用途一览。图2 Power MOSFET IC的分类构造纵型横型区分低耐压( 100V以下)高耐压(planer)低耐压高耐压特性planertrench耐高压化低ON阻抗化低Ciss (低Qg)低Crss (低Qgd )特征高耐压、低电流高速、高频用途DC-DC conver
3、ter驱动小型马达汽车电机AC-DC switching电源UPS电源inverterRF增幅输出(行动电话)数百MHz数GHz 高频电力增幅(基地台设备)表1 Power MOSFET的构造与用途纵型构造纵型构造适用于高耐压/低ON阻抗MOSFET，目前中/高耐压(VDSS=200V)的MOSFET大多采用纵型结构。虽然部份低耐压(VDSS=100V)的MOSFET也使用纵型结构，不过一般要求低容量、高速switching特性的场合，平板(planer)结构比较有利；要求低ON阻抗特性时，则以沟槽(trench)结构比较适合。最近几年制程与加工设备的进步，沟槽结构的MOSFET在低容量化(低
4、Qg，Qgd化)有相当的进展，因此从应用面观之纵型与沟槽结构的MOSFET，两者的低容量化特性已经没有太大差异。如上所述纵型结构的MOSFET具备高耐压、低ON阻抗、大电流等特征，所以适合当作switching组件使用。横型构造横型构造最大缺点是不易符合高耐压/低ON阻抗等要求，不过它低容量特性尤其是逆传达容量(归返容量)Crss非常小。如图2(b)所示，gate与source之间的容量被field plate遮蔽(shield)，因此结构上非常有利。不过横型构造的cell面积很大，单位面积的ON阻抗比纵型构造大，因此一般认为不适合switching组件使用，只能当作要求高速/高频等高频增幅器
5、常用的输出控制组件(device)。今后发展动向横型构造比较适用于低耐压switching组件，主要应用例如驱逐CPU core的VR(Voltage Regulator)等等。一般认为VR未来会朝向0.8V/150A方向发展，此外为支持遽变负载可作高速应答，例如电流站立应答di/dt=400A/s的速度特性，未来势必成为必备条件之一。由于低电压化需求必需抑制电压幅宽，相对的电压变动容许值必需低于数十mA以下，然而复数电容并联的结果，却造成电路基板变大等困扰，有效对策是提高电源switching的频率，也就是说目前200300kHz的动作频率，未来势必将会被25MHz CPU驱动用VRB(Vo
6、ltage Regulator Block)取代。此外基于高频领域的动作性等考虑，结构上比较有利的横型构造则被纳入检讨。由于横型构造属于source-source，因此要求高速性的high side switch已经采用横型构造，low side switch(整流用)则利用纵型结构将芯片堆栈在同一stem，藉此消除导线电感(inductance)进而形成高性能MOSFET组件。MOSFET IC的应用图3是MOSFET IC主要用途与今后发展动向一览；横轴是组件的耐压值VDSS，纵轴是组件应用上的动作频率。 图3 Power MOSFET IC用途与发展趋势(一).电源系统电源系统要求MOS
7、FET IC具备省能源(energy)、高效率、轻巧、小型、低噪讯(noise)、低高频电流、高可靠性，以及高速负载应答(峰值负载电流)等特性。在switching电源中，进展最快速的是DC-DC converter与驱动CPU的VR，尤其是驱动CPU的VR，除了低电压化/大电流化之外，今后更要求小型/高速化(高 化)，因此动作频率(控制IC的PWM频率)有高频化的倾向。虽然目前主流是200300KHz，不过未来会逐渐朝400700KHz，甚至1MHz高频化方向提升。然而高频化的结果，却造成MOSFET的switching损失大幅增加，虽然FOM(Figure Of Merit)是MOSFET
8、高性能化的重要指针，不过基本上降低RDS(on)，Qgd才是根本对策。图4是Power MOSFET IC的性能指针，亦即FOM改善经纬。图5是gate内部阻抗Rg与电源效率的关系，由图可知动作频率=300kHz时，Rg会从3变成0.5，电源效率则改善1%以上；如果动作频率=1MHz时，电源效率则改善5%以上。虽然gate内部阻抗Rg会随着组件种类出现差异，不过动作300kHz频率超过 以上高速动作时，建议读者选用Rg低于2的type。VR用MOSFET的选择重点如下:a.high side device低ON阻抗(输入电压Vin会改变优先度)。低Qgd特性。低gate内部阻抗Rg(低于2)。
9、b.high side device超低ON阻抗(输入电压Vin会改变优先度)。低Qgd特性。低Qg特性。低Crss/Ciss特性(输入电压Vin会改变优先度)。高速二极管特性(快速的逆复原时间trr)。图4 低Qgd与低RD(an)化的发展动向图5 gate内部阻抗与效率的依存性(二).汽车电机例如引擎控制器、安全气曩、ABS、HEV/FCEV操控马达、废气控制、车内LAN用继电器代用品等，电路系统内部都可以发现功率MOSFET IC的踪影，由于这些控制系统涉及人身安全，因此除了高可靠性之外，更要求MOSFET对所有破坏模式具备强大的耐量(承受能力；以下简称耐量)。有关废气控制与省能源问题，
10、低ON阻抗特性的MOSFET非常适合，不过为确保负载短路破坏耐量，所以低ON阻抗特性往往受到某种程度的牺牲，所幸的是具备过温度遮断功能的热能(thermal)FET已经商品化，而内建智能型(intelligent)电路，以保护电路简略化/高可靠性为诉求，以及附设保护负载短路+自我诊断输出端子、内建可以检测温度/电流功能的芯片，已经正式进入研发阶段。(三).马达驱动应用以往MOSFET IC的马达驱动应用，主要是打印机、复印机、硬盘机等计算机与事务机器领域，最近几年这些机器基于高速走纸、高速起动、高速停止的市场需求压力，以及要求提高马达的控制精度等来自设计者的需求，因此采用同时具备高速应达(re
11、sponse)，与低损失、低耐压功率MOSFET IC的case有逐年增加的趋势。此外上述应用基于成本考虑大幅简化驱动电路，因此以P channel MOSFET与N channel MOSFET补偿型(complementary)组件居多，由于动作频率大多低于50kHz，所以组件设计上非常重视低ON阻抗特性。虽然理论上P channel MOSFET的ON阻抗比N channel MOSFET大，不过随着制程微细化，两者几乎达到无差异程度。采用内建P channel与N channel耐压低于60V，外型封装类似SOP-8小型组件的数量也不断增加。(四).可携式电子产品使用电池驱动的大电流(
12、数A10A)可携式电子产品，以笔记型计算机(Note BookPersonal Computer以下简称为NB-PC)最具代表性。NB-PC的AC充电电源与电池切换选择开关，以及各种负载开关(load switch)，大多使用P channel MOSFET；至于锂离子电池的保护电路充放电开关，则使用小型封装低ON阻抗的P channel MOSFET。随着笔记型计算机的高速化与处理数据容量遽增，必需提供更大的电流给CPU，这意味着锂离子电池的动作电流也随着提高。以往小型锂离子电池pack大多是以呈密封状态，因此大多使用小型封装低ON阻抗的P channel MOSFET。目前耐压-30V,R
13、DS(on)=3.6mtyp，超低ON阻抗小型封装的LFPAK(SOP-8 pin compatible)已经商品化，RDS(on)=2.7typ同样是小型封装的产品HAT1125H，则正在开发中。(五).Audio应用以往Audio OP增幅器大多采取模拟方式，最近受到省电化的影响，Audio设备也改用数字化switching技术。由于Audio OP增幅器的电源，大多使用电源变压器与大容量电解电容，因此电源模块若改用switching电源，理论上可以获得小型、轻巧、省电等多重效益，不过实际上输出模块的增幅器基于噪讯、偏斜率THD(Total Harmonic Distortion)等，Au
14、dio设备特有的特性等考虑，加上设备系统属于模拟结构，因此无法期待功率增幅器整体的效率可以获得改善。所幸的是电源模块与输出增幅模块都导入switching技术，因此业者也逐渐改用数字化增幅器。未来数字化增幅器适用于 以上Audio高功率输出段，该输出段与switching电源一样，属于half bridge与full bridge结构，可用300MHz以上动作频率switching。上述电路与switching电源一样，high side与low side组件都设有所谓的dead time，需注意的是设定时间过大的话，会有波形歪斜之虞。此外利用PWM变调作数十ns脉冲宽度控制，switchin
15、g速度太慢的话，同样会影响波形歪斜，因此MOSFET IC必需具备100150V的耐压，数十m低ON阻抗特性，数十pF以下低归返(return)容量Crss，加上低噪讯化的等高速switching，与高Vth(Vth3V)等特性。一般认为今后除了噪讯与波形歪斜问题之外，低电感化、低容量化的同时，势必针对封装与组件结构进行特性提升，才能完全满足以上的要求。(六).家电设备事实上功率MOSFET IC是日常生活不可或缺的必要组件之一，例如日光灯inverter就是由MOSFET IC典型应用实例。今后MOSFET IC的应用，会扩展至液晶、电浆面板在内的各种平面显示器，以及面板驱动用sustain switching，与液晶电视的灯管驱动用inverter等领域。MOSFET IC的发展动向低电感化、低阻抗化封装技术如上所述随着压比较器(regulator)动作频率的高频化，今后除了改善组件的RDS(o
