【導(dǎo)讀】通過結(jié)合改進的電源電路拓撲和概念與改進的低損耗功率器件，開關(guān)電源行業(yè)在提高功率密度、效率和可靠性方面，正在經(jīng)歷革新性發(fā)展。MOSFET是中低電壓電源應(yīng)用的首選功率器件，可以提高溝槽密度，并無需JFET阻抗元件，因此能夠使特征導(dǎo)通阻抗降低30%左右，降低同步整流的能量損耗，極大的提高了電源能效。
從拓撲的角度來看，同步整流器的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗都更低，能夠提高這些轉(zhuǎn)換級的效率，因而是開關(guān)模式電源次級端的基本構(gòu)建模塊，在服務(wù)器電源或電信整流器等低壓及大電流應(yīng)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。從器件角度來看，過去十年中，功率MOSFET晶體管的進展巨大，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)問世之后，中低電壓MOSFET迅速被開發(fā)出來，利用溝槽柵技術(shù)來大幅提高性能。溝槽柵MOSFET是中低電壓電源應(yīng)用的首選功率器件，其把一個柵極結(jié)構(gòu)嵌入在精心蝕刻在器件結(jié)構(gòu)上的溝槽區(qū)域中。這種新技術(shù)可以提高溝槽密度，并無需JFET阻抗元件，因此能夠使特征導(dǎo)通阻抗降低30%左右。當MOSFET的導(dǎo)通阻抗與漏極電流的乘積小于二極管正向電壓降時，同步整流的能量損耗降低。
不過，在同步整流方面，低導(dǎo)通阻抗并非電源開關(guān)的唯一要求。為了降低驅(qū)動損耗，這些器件的柵極電荷也應(yīng)該很小。軟體二極管的反向恢復(fù)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(fù)電荷Qrr造成的開關(guān)損耗。因此，中低壓MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)，如RDS(ON)、QG、QOSS、Qrr和反向恢復(fù)特性，直接影響到同步整流系統(tǒng)的效率。
圖1：二極管整流和同步整流
針對同步整流進行優(yōu)化的功率MOSFET
在開關(guān)模式電源中，RDS(ON)×QG FOM(品質(zhì)因數(shù))一般被視為衡量MOSFET性能的唯一最重要的指標。因此，已經(jīng)開發(fā)出數(shù)項提高RDS(ON)×QG FOM的新技術(shù)。雖然這些年來MOSFET技術(shù)和單元結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了巨大的革新，但MOSFET垂直單元結(jié)構(gòu)大致仍可分為三類：平面型，溝槽型和橫向型。在這三類結(jié)構(gòu)中，溝槽柵MOSFET已成為BVDSS<200V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(dǎo)通阻抗特別低，而且能夠在BVDSS范圍內(nèi)獲得出色的RDS(ON)×QG 品質(zhì)因數(shù)(FOM)。
溝槽柵結(jié)構(gòu)可以大幅減小溝槽阻抗(Rchannel)和JFET阻抗(R JFET)，而對低壓MOSFET(BVDSS<200V)來說，JFET阻抗正是造成導(dǎo)通阻抗的主要原因。溝槽結(jié)構(gòu)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，無需任何JFET夾斷效應(yīng)即可提高單元密度。每個區(qū)域的相關(guān)阻抗所占的百分比差異很大，取決于具體的設(shè)計與BVDSS。盡管降低傳導(dǎo)損耗必需要降低RDS(ON)，但必須考慮到更高的FOM，對現(xiàn)有最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的溝槽深度和寬度進行權(quán)衡折衷。標準溝槽單元常常有一些變體設(shè)計，旨在保持低阻抗，同時提高FOM。圖2所示的傳統(tǒng)溝槽柵結(jié)構(gòu)通過增加溝槽的寬/長比來獲得更低的導(dǎo)通阻抗。為了提高開關(guān)性能，增大CGS /CGD比，隨之業(yè)界又開發(fā)出了在溝槽底部生長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(qū)阻抗。此外，它也有利于降低導(dǎo)通阻抗與柵極電荷，因為現(xiàn)在可以一方面通過薄柵極氧化層來獲得更低的Vth與導(dǎo)通阻抗，同時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(jié)器件結(jié)構(gòu)。它最初是針對高壓器件開發(fā)的，現(xiàn)在也可用于低壓器件。利用電荷平衡方案，可以在漂移區(qū)獲得兩維電荷耦合，因而能夠在漂移區(qū)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，同時其原本相當出色的開關(guān)特性也得到進一步提高。
除了RDS(ON)和QG之外，同步整流結(jié)構(gòu)中的其它參數(shù)，如體二極管反向恢復(fù)、內(nèi)部柵極阻抗以及MOSFET的輸出電荷(QOSS)，現(xiàn)在也變得更具相關(guān)性。在開關(guān)頻率和輸出電流較高時，這些損耗元件的重要性便更為明顯。飛兆半導(dǎo)體的中壓MOSFET產(chǎn)品現(xiàn)在開始針對二極管反向恢復(fù)以及輸出電容的最小化進行優(yōu)化。
圖2：傳統(tǒng)溝槽柵MOSFET
圖3：底部有厚氧化層的溝槽MOSFET
圖4：增加了屏蔽電極的溝槽MOSFET
