本應(yīng)用筆記是對飛兆半導體新一代超級結(jié)MOSFET，SuperFET II和SuperFET II Easy Drive MOSFET的介紹和概述。將討論每個結(jié)構(gòu)，以及它們可以為設(shè)計帶來的優(yōu)勢。還將包括平面結(jié)型和超結(jié)型MOSFET的性能比較，以及這些器件在不同條件下的性能。

功率MOSFET技術(shù)已朝著更高的單元密度發(fā)展以降低導通電阻。利用電荷平衡理論的超結(jié)器件在十年前被引入半導體行業(yè)，并在高壓功率MOSFET市場上樹立了新的標桿。超級結(jié)（SJ）MOSFET可實現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。但是，超結(jié)MOSFET的極快開關(guān)性能會產(chǎn)生不良的副作用，例如高電壓或電流尖峰或較差的EMI性能。基于最近的系統(tǒng)趨勢，提高效率是一個關(guān)鍵目標，并且僅針對EMI使用慢速開關(guān)設(shè)備并不是一種優(yōu)化的解決方案。飛兆半導體最近在高壓功率MOSFET產(chǎn)品組合中增加了采用最新超級結(jié)技術(shù)的SuperFET?II MOSFET系列。有了這項技術(shù)，飛兆半導體在高端AC-DC SMPS應(yīng)用中提供高性能，例如服務(wù)器，電信，計算，工業(yè)電源，UPS / ESS，太陽能逆變器和照明應(yīng)用；以及要求高功率密度，系統(tǒng)效率和可靠性的消費類電子產(chǎn)品。飛兆半導體利用先進的電荷平衡技術(shù)，通過引入600 V N通道SuperFET?II MOSFET系列，幫助設(shè)計人員實現(xiàn)更高效，高性能的解決方案，這些解決方案占用的電路板空間較小，并改善了EMI和可靠性。

超級結(jié)MOSFET技術(shù)

RDS（ON）×QG，品質(zhì)因數(shù)（FOM）通常被認為是開關(guān)模式電源（SMPS）中MOSFET性能的最重要的單個指標。因此，已經(jīng)開發(fā)了幾種新技術(shù)來改進RDS（ON）×QG FOM。圖1顯示了平面MOSFET和超結(jié)MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)和電場分布。平面MOSFET的擊穿電壓由漂移摻雜及其厚度決定。電場分布的斜率與漂移摻雜成正比。因此，需要厚且輕摻雜的Epi，以支持更高的擊穿電壓。

功率MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)和電場分布

高壓MOSFET導通電阻的主要貢獻來自漂移區(qū)：導通電阻隨著輕摻雜和厚漂移層的增加而呈指數(shù)增加，以獲得更高的擊穿電壓。在高壓MOSFET技術(shù)中，降低導通電阻的最顯著成就是圖2所示的超結(jié)技術(shù)。

平面MOSFET / SJ MOSFET的特定RDS（ON）與擊穿電壓的關(guān)系

與傳統(tǒng)平面技術(shù)的良好結(jié)構(gòu)相比，超結(jié)技術(shù)在體內(nèi)具有深的p型柱狀結(jié)構(gòu)。柱的作用是將電場限制在輕摻雜的外延區(qū)域中。由于采用了這種p型支柱，與傳統(tǒng)的平面技術(shù)相比，n型Epi的電阻可以大大降低，同時保持相同的擊穿電壓水平。這項新技術(shù)在導通電阻方面突破了硅的限制，與平面工藝相比，每單位面積的導通電阻僅達到三分之一。該技術(shù)還實現(xiàn)了獨特的非線性寄生電容特性，因此可以降低開關(guān)功率損耗。

SuperFET?II MOSFET概念

圖3顯示了SuperFET?II MOSFET概念。SuperFET?II系列具有出色的開關(guān)性能，可以直接替代SUPREMOS?MOSFET。由于優(yōu)化了柵極電荷和電容，開關(guān)dv / dt低于SupreMOS?MOSFET。具有優(yōu)化的開關(guān)性能的SuperFET?II“簡易驅(qū)動”系列可以直接替代SuperFET?IMOSFET。它帶有集成的柵極電阻和優(yōu)化的電容，以實現(xiàn)自限di / dt和dv / dt特性。SuperFET?II Easy Drive系列簡化了實現(xiàn)并實現(xiàn)了低噪聲水平。

SuperFET?II Easy Drive系列

基于電荷平衡技術(shù)的超級結(jié)MOSFET在降低導通電阻和寄生電容方面提供了出色的性能，這通常需要權(quán)衡取舍。SJ MOSFET具有較小的寄生電容，具有極快的開關(guān)特性和降低的開關(guān)損耗。但是，如果沒有dv / dt控制，則漏-源電壓的壓擺率可能會高達100 V / ns，這可能導致EMI問題以及與設(shè)備或印刷電路板中的寄生寄生以及非線性寄生電容相關(guān)的不穩(wěn)定操作SMPS中的SJ MOSFET的示意圖。新一代的超結(jié)MOSFETSuperFET?II器件通過優(yōu)化的設(shè)計實現(xiàn)了優(yōu)化的開關(guān)和低開關(guān)噪聲，從而在應(yīng)用中實現(xiàn)了高效率和低EMI。SJ MOSFET的高開關(guān)速度可降低開關(guān)損耗，但可能產(chǎn)生負面影響；例如在應(yīng)用中增加的EMI，柵極振蕩和高峰值漏極-源極電壓。

600 VSuperFET?II MOSFET系列的內(nèi)部柵極電阻

柵極驅(qū)動設(shè)計中的關(guān)鍵控制參數(shù)是外部串聯(lián)柵極電阻（Rg）。這可抑制峰值漏極-源極電壓，并防止由功率MOSFET的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴。這也會減慢在接通和關(guān)斷期間電壓（dv / dt）和電流（di / dt）的上升速率。Rg還影響MOSFET的開關(guān)損耗?？刂七@些損耗非常重要，因為設(shè)備必須在目標應(yīng)用中達到最高效率。從應(yīng)用的角度來看，為Rg選擇正確的值非常重要。如圖4所示，SuperFET?II Easy Drive系列采用集成的柵極電阻，該電阻不是等效串聯(lián)電阻（ESR），而是位于柵極焊盤中的柵極電阻，以減少柵極振蕩并在大電流條件下控制開關(guān)dv / dt和di / dt。集成柵極電阻的值通過柵極電荷優(yōu)化。

柵極電荷的比較：600 V / 190mΩSuperFET?II Easy Drive MOSFET與600 V / 190mΩ上一代SJ MOSFET

超結(jié)MOSFET的Coss變得非常非線性，在超結(jié)MOSFET的50 V漏極-源極電壓附近迅速降低。這樣可以實現(xiàn)極快的dv / dt和di / dt。反向傳輸電容（Cgd）通常稱為米勒電容，是影響開關(guān)期間電壓上升和下降時間的主要參數(shù)之一。Cgd提供了來自漏極電壓的負反饋效應(yīng)，并且必須通過Rg提供的柵極驅(qū)動電流將其放電。振蕩與多種原因有關(guān)，例如高開關(guān)dv / dt和di / dt，寄生Cgd以及漏極電流的值。圖5顯示了SuperFET?II Easy Drive MOSFET和上一代SJ MOSFET在VDS = 480 V，VGS = 10 V和ID = 10 A的柵極電荷的測量結(jié)果。如圖5所示，

SuperFET?II系列

SuperFET II系列設(shè)計用于高效率和功率密度應(yīng)用。根據(jù)實驗結(jié)果，SuperFET?II系列通過減少柵極電荷和減小ESR來提高系統(tǒng)效率。SuperFET?II系列具有出色的開關(guān)性能，并能承受極高的dv / dt速率。SuperFET?II系列適用于開關(guān)模式操作中的各種AC-DC電源轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，更高的效率和更涼爽的熱性能。

400 W CCM PFC中的效率比較

00 W CCM PFC用于比較SuperFET?II系列和SuperFET?II Easy Drive系列的效率。該整流器的輸入電壓為100 VAC，輸出電壓和電流分別設(shè)置為400 V和1A。開關(guān)頻率為95 kHz，用于接通的柵極電阻為10Ω，關(guān)斷電阻為3.3Ω。效率測量結(jié)果如圖6所示。

與SuperFET?II Easy Drive MOSFET（FDP190N60E）在滿載條件下相比，SuperFET?II MOSFET（FCP190N60）的效率提高了約0.2％。更高效率的主要原因是由于較低的Miller電容和Qg，從而降低了開關(guān)和驅(qū)動損耗。功率MOSFET的更快開關(guān)可實現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。但是，隨著開關(guān)速度越來越快，器件和電路板上的寄生元件更多地涉及開關(guān)特性。

編輯：hfy