本應用筆記是對飛兆半導體新一代超級結MOSFET，SuperFET II和SuperFET II Easy Drive MOSFET的介紹和概述。將討論每個結構，以及它們可以為設計帶來的優(yōu)勢。還將包括平面結型和超結型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（SJ）MOSFET可實現(xiàn)更高的功率轉換效率。但是，超結MOSFET的極快開關性能會產生不良的副作用，例如高電壓或電流尖峰或較差的EMI性能?；谧罱南到y(tǒng)趨勢，提高效率是一個關鍵目標，并且僅針對EMI使用慢速開關設備并不是一種優(yōu)化的解決方案。飛兆半導體最近在高壓功率MOSFET產品組合中增加了采用最新超級結技術的SuperFET?II MOSFET系列。有了這項技術，飛兆半導體在高端AC-DC SMPS應用中提供高性能，例如服務器，電信，計算，工業(yè)電源，UPS / ESS，太陽能逆變器和照明應用；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品。飛兆半導體利用先進的電荷平衡技術，通過引入600 V N通道SuperFET?II MOSFET系列，幫助設計人員實現(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MOSFET技術

RDS（ON）×QG，品質因數(shù)（FOM）通常被認為是開關模式電源（SMPS）中MOSFET性能的最重要的單個指標。因此，已經開發(fā)了幾種新技術來改進RDS（ON）×QG FOM。圖1顯示了平面MOSFET和超結MOSFET的垂直結構和電場分布。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的垂直結構和電場分布

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技術中，降低導通電阻的最顯著成就是圖2所示的超結技術。

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

與傳統(tǒng)平面技術的良好結構相比，超結技術在體內具有深的p型柱狀結構。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dv / dt低于SupreMOS?MOSFET。具有優(yōu)化的開關性能的SuperFET?II“簡易驅動”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

基于電荷平衡技術的超級結MOSFET在降低導通電阻和寄生電容方面提供了出色的性能，這通常需要權衡取舍。SJ MOSFET具有較小的寄生電容，具有極快的開關特性和降低的開關損耗。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問題以及與設備或印刷電路板中的寄生寄生以及非線性寄生電容相關的不穩(wěn)定操作SMPS中的SJ MOSFET的示意圖。新一代的超結MOSFETSuperFET?II器件通過優(yōu)化的設計實現(xiàn)了優(yōu)化的開關和低開關噪聲，從而在應用中實現(xiàn)了高效率和低EMI。SJ MOSFET的高開關速度可降低開關損耗，但可能產生負面影響；例如在應用中增加的EMI，柵極振蕩和高峰值漏極-源極電壓。

600 VSuperFET?II MOSFET系列的內部柵極電阻

柵極驅動設計中的關鍵控制參數(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的開關損耗?？刂七@些損耗非常重要，因為設備必須在目標應用中達到最高效率。從應用的角度來看，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MOSFET的Coss變得非常非線性，在超結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，并且必須通過Rg提供的柵極驅動電流將其放電。振蕩與多種原因有關，例如高開關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果。如圖5所示，

SuperFET?II系列

SuperFET II系列設計用于高效率和功率密度應用。根據(jù)實驗結果，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性能，并能承受極高的dv / dt速率。SuperFET?II系列適用于開關模式操作中的各種AC-DC電源轉換，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置為400 V和1A。開關頻率為95 kHz，用于接通的柵極電阻為10Ω，關斷電阻為3.3Ω。效率測量結果如圖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，從而降低了開關和驅動損耗。功率MOSFET的更快開關可實現(xiàn)更高的功率轉換效率。但是，隨著開關速度越來越快，器件和電路板上的寄生元件更多地涉及開關特性。

編輯：hfy