利用PowerTrench MOSFET应对更高功率密度的新挑战

引言

随着社会经济从纸张型向数字信息管理型方向发展，用于数据处理、存储和网络的数据中心在个人业务、学术和政府体系等众多领域发挥着重要的作用。不过，与此同时，数据中心的供电和冷却成本也在不断攀升。对于现代的数据与电信电源系统，更高的系统效率和功率密度已成为核心焦点，因为小型高效的电源系统意味着节省空间和电费账单。

从拓扑的角度来看，同步整流器的传导损耗和开关损耗都更低，能够提高这些转换级的效率，因而是开关模式电源次级端的基本构建模块，在服务器电源或电信整流器等低压及大电流应用中非常流行。如图1所示，它取代了肖特基整流器，可使电压降变得更小。从器件角度来看，过去十年中，功率MOSFET晶体管的进展巨大，催生出了新颖的拓扑和高功率密度电源。20世纪早期平面技术问世之后，中低电压MOSFET迅速被开发出来，利用沟槽栅技术来大幅提高性能。沟槽栅MOSFET是中低电压电源应用的首选功率器件，其把一个栅极结构嵌入到精心蚀刻在器件结构上的沟槽区域中。这种新技术可以提高沟槽密度，并无需JFET阻抗元件，因此能够使特征导通阻抗降低30%左右。当MOSFET的导通阻抗与漏极电流的乘积小于二极管正向电压降时，同步整流的能量损耗降低。

不过，在同步整流方面，低导通阻抗并非电源开关的唯一要求。为了降低驱动损耗，这些器件的栅极电荷也应该很小。软体二极管的反向恢复特性有助于削弱电压尖刺的峰值，从而降低缓冲电路损耗。另外，还有输出电荷QOSS和反向恢复电荷Qrr造成的开关损耗。因此，中低压MOSFET的关键参数，如RDS(ON)、QG、QOSS、Qrr和反向恢复特性，直接影响到同步整流系统的效率。被称为PowerTrench MOSFET的新型中压功率MOSFET，则针对同步整流进行了高度优化，可为服务器电源或电信整流器提供更高的效率和功率密度。

针对同步整流进行优化的功率MOSFET

在开关模式电源中，RDS(ON)×QG FOM（品质因数）一般被视为衡量MOSFET性能的唯一重要的指标。因此，已经开发出数项提高RDS(ON)×QG FOM的新技术。虽然这些年来MOSFET技术和单元结构经历了巨大的革新，但MOSFET垂直单元结构大致仍可分为三类：平面型、沟槽型和横向型。在这三类结构中，沟槽栅MOSFET已成为BVDSS<200V的高性能分立式功率MOSFET的主流。这主要是因为这种器件不仅特征导通阻抗特别低，而且能够在BVDSS范围内获得出色的RDS(ON)×QG品质因数（FOM）。

沟槽栅结构可以大幅减小沟槽阻抗（Rchannel）和JFET阻抗（RJFET），而对低压MOSFET（BVDSS<200V）来说，JFET阻抗正是造成导通阻抗的主要原因。沟槽结构能够提供最短的漏-源电流路径（垂直），以此降低RDS(ON)，利用这种醒目的优势，无需任何JFET夹断效应（pinch-off effect）即可提高单元密度。每个区域的相关阻抗所占的百分比差异很大，取决于具体的设计与BVDSS。尽管降低传导损耗必需要降低RDS(ON)，但必须考虑到更高的FOM，对现有最优化结构的沟槽深度和宽度进行权衡折衷。标准沟槽单元常常有一些变体设计，旨在保持低阻抗，同时提高FOM。图2所示的传统沟槽栅结构通过增加沟槽的宽/长比来获得更低的导通阻抗。为了提高开关性能，增大CGS/CGD比，随之业界又开发出了在沟槽底部生长一层厚氧化层的技术，如图3所示。

这种方案不仅有助于减小栅-漏叠加电容CGD，还能改善漂移区阻抗。此外，它也有利于降低导通阻抗与栅极电荷，因为现在可以一方面通过薄栅极氧化层来获得更低的Vth与导通阻抗，同时又还可以在沟槽底部采用加厚氧化层以获得最低的CGD。还有一种技术就是采用电荷平衡或超级结器件结构。它最初是针对高压器件开发的，现在也可用于低压器件。利用电荷平衡方案，可以在漂移区获得两维电荷耦合，因而能够在漂移区采用更高的掺杂浓度，最终降低漂移阻抗。相比前代技术，这种新型中压功率MOSFET不仅在特征阻抗方面有大幅度改进，同时其原本相当出色的开关特性也得到进一步提高。

除了RDS(ON)和QG之外，同步整流结构中的其它参数，如体二极管反向恢复、内部栅极阻抗以及MOSFET的输出电荷（QOSS），现在也变得更具相关性。在开关频率和输出电流较高时，这些损耗元件的重要性便更为明显。飞兆半导体的中压MOSFET产品现在开始针对二极管反向恢复以及输出电容的最小化进行优化。

同步整流的功耗

电源开关的主要功耗是传导损耗和开关损耗。此外还有输出电容引起的电容性损耗、漏电流造成的关断状态（off-state）损耗、反向恢复损耗和驱动损耗。在高压大功率应用中，这些损耗常常被忽略；而对于数瓦的应用，众所周知电容性损耗可能高达总功耗的50%以上。必须注意的一点是，漏电流超标的不合格器件可能导致热耗散故障，尤其是在环境温度高的情况下，然而这是很常见的事。在低压应用中，驱动损耗可占总功耗的很大部分，因为相比高压开关，低压开关的传导损耗非常小。在轻负载条件下，传导损耗极小，驱动损耗更为重要。随着电脑节能拯救气候行动（Climate Savers Computing Initiative）等新的效率规范的推出，驱动损耗成为轻载效率的关键因素。驱动损耗可通过下式求得。

公式1

开关频率和栅极驱动电压属于设计参数，而栅极电荷值则由数据手册提供。同步整流与二极管整流器的一个不同之处是，MOSFET是一种双向器件。图5显示了一般情况下，在传导期间从源极到漏极流经MOSFET沟槽的电流，以及在死区时间内流经体二极管的电流。由于同步整流中，体二极管的导通先于栅极导通，故同步开关可以采用零电压开关技术。由于同步整流中，软开关在开关导通和关断瞬间工作，dVds/vt为零。因此，CGD（因dVds/dt）的电容性电流也为零。

鉴于这种顺序，应该谨慎选择式1中的栅极电荷值。由于导通瞬间同步开关上无电压，这时不会发生“米勒效应”。因此，得到的栅极电荷值近似等于总栅极电荷QG减去栅极电荷的栅漏极部分QGD。不过，这仍然是对驱动损耗的乐观估计，实际中，同步开关的栅极电荷值并不等于简单的QG-QGD估算值，这是因为在同步整流中，漏极和源极之间存在一个负偏压，而数据手册中的QG和QGD是利用正偏压测得的。而且，Vth以下的QSYNC曲线类似于Vth以上的斜线，因为同步整流中，零电压开关期间这两个区域的漏源电压都为零。同步整流的栅极电荷QSYNC可利用图6所示的简单电路，并在Q1和Q2上加载适当的驱动信号来测得。

利用已知的电阻值，可通过下式求得QSYNC，这样就可以更准确地估算出栅极驱动功耗。同步整流中，QSYNC较小，器件的性能也较好。如图7所示，同步整流的功率MOSFFET的栅-源电压上无平坦区。

公式2

在同步整流中，要降低QSYNC，CGS(Ciss-Crss)是更加关键的因数。如图8所示，由于设计优化，相比4.5毫欧的竞争产品，3.6毫欧PowerTrench MOSFET的CGS大幅度减小。如表1所示，相比4.5毫欧和3.0毫欧的竞争器件，3.6毫欧PowerTrench MOSFET的QSYNC分别降低了22%和59%。图9对栅极驱动电压为10V，开关频率为100kHz的27V同步整流级的驱动损耗和传导损耗之比进行了计算和比较。这里有两个同步开关，在10%的负载条件下，3.0毫欧竞争产品的驱动损耗是传导损耗的两倍。

数据手册上规定的二极管反向恢复时间（Trr）和反向恢复电荷（Qrr）一般用于正向开关损耗的计算。在利用数据手册上的Qrr值来计算损耗时，须注意一点：体二极管的反向恢复电流是许多参数的函数，比如正向电流IF、反向恢复diF/dt、DC总线电压和结温Tj，其中任何一个参数的增加都会导致Qrr的提高。数据手册上的条件通常比典型的转换器工作条件低。由于开关转换器需尽可能快地对功率MOSFET进行转换，边缘速率，如diF/dt，可能比数据手册上的条件快10倍之多，从而使同步整流的Qrr大大增加。

输出电荷Qoss和反向恢复电荷Qrr在关断开关的同时也造成损耗。因此，Coss和Qrr产生的功耗可通过下式求得。

公式3

公式4

开关上的电压尖刺

把有害电压尖刺降至最小的一般原则是采用短而厚的电路板以及最小的电流回路。然而，由于尺寸和成本的限制，做到这些并不容易。有时，设计人员必需考虑到机械结构的问题，如散热器和风扇；有时鉴于成本限制因素，不得不使用单面印制电路板。缓冲电路可作为一种可行的替代方案，用来在最大额定漏源电压范围内管理电压尖刺。这种情况下，额外的功耗是无法避免的。此外，轻载下缓冲电路本身产生的功耗也不可忽视。除了电路板参数之外，器件的特性也对电压尖刺电平有影响。在同步整流中，一个主要的器件相关参数是反向恢复期间的体二极管软度因子（softness）。基本上，二极管的反向恢复特性是由设计决定的。有好几个控制输入对反向恢复产生影响，如结温、di/dt和正向电流水平。但是，当条件固定时，二极管总是表现出相同的行为。因此，器件的评估结果对评测系统的运作情况非常有用。图10所示为两个不同器件（但有极其相似的额定值）的反向恢复波形。

在反向恢复电流波形中，从零到峰值反向电流的这段时间被称为ta。tb则定义为从峰值回到零的时间。软度因子定义为tb/ta。一个软器件的软度因子大于1，而当其软度因子小于1时，该器件被认为是“snappy（活跃的）”。从图10可看出，反向恢复期间snappy二极管的峰值电压较大。当所有条件都相同时，snappy二极管的电压尖刺总是比较高，因此会在缓冲电路中造成额外的损耗。轻载条件下，这一点可能比把导通阻抗RDS(on)减小1毫欧还要来得重要。图11所示为谐振频率为400kHz的500W PSFB DC-DC转换器中软器件与snappy器件的工作波形。软器件的峰值电压比snappy器件的小10%，从而可使缓冲电路的功耗降低30%，系统效率提高0.5%。尽管软器件的RDS(on)比snappy器件的要高25%，但在20%负载条件下，二者的效率分别为94.81%与94.29%。满载下两个器件的效率相同。

总结

为同步整流创建更高效的电源开关，低RDS(on)不是唯一的要求。随着轻载效率的重要性增强，栅极驱动损耗和缓冲电路损耗变为十分重要的损耗因素。因此，低QSYNC和软二极管成为获得更高同步整流效率的至关重要的特性。不过，RDS(ON)仍然是应用的关键参数。图12所示为带同步整流的800W PSFB中，在不同负载和不同器件条件下，不同元件的相关功耗。由于在10%负载条件下的驱动损耗和输出电容性损耗更低，3.6毫欧PowerTrench MOSFET的总功耗比3.0毫欧竞争产品减小43%。此外，3.6毫欧PowerTrench MOSFET的功耗主要源于满负载条件下的传导损耗，因此其功耗比4.7毫欧竞争产品的更低。从图12总结的损耗分析可明显看出，由于3.6毫欧PowerTrench MOSFET进行了设计优化，故可以大幅降低满载和轻载条件下的功耗。

飞兆半导体已推出新的PowerTrench功率MOSFET系列。这些器件兼具更小的QSYNCH和软反向恢复固有体二极管性能及快速开关等优势，旨在让整流应用实现更高的效率。由于栅极电荷和输出电容存储能量的减少，开关效率得以提高，驱动和输出电容性损耗得以降低。PowerTrench MOSFET的这些优点可帮助设计人员显著提高系统效率。

图1 二极管整流和同步整流

图2 传统沟槽栅MOSFET

图3 底部有厚氧化层的沟槽MOSFET

图4 增加了屏蔽电极的沟槽MOSFET

图5 同步整流中功率MOSFET的波形

图6 QSYNC的测量

图7 QSYNC的定义

图8 100V栅-源电容/3.6毫欧PowerTrench MOSFET与竞争产品的比较

图9 不同输出负载条件下，损耗比(驱动损耗/传导损耗)的比较

表1：DUT的关键规格比较

图10 不同软度因子的反向恢复波形

图11 500W PSFB DC-DC转换器中功率MOSFET的峰值漏-源电压，软器件（左），snappy器件（右）软体二极管的另一个优点是它能够使用额定击穿电压较低的器件。由于单位面积的导通阻抗与击穿电压成比例，故它还能降低传导损耗。

图12 800W同步整流电路的损耗分析