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MOSFET效率

日期:2011-03-15 作者:OmarHassen,行政董事;VijayViswanathan,技术营销经理,国际整流器公

   利用DirectFETplus提升芯片的驱动性能


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图1:DirectFET封装结构和实现。

  芯片性能的提升——包括改善导通电阻和实现更低栅级电阻(Rg)的处理架构——与最佳的芯片技术相结合,以提高下一代功率MOSFET的效率、可靠性和热性能封面故事

  高能源价格和“绿色”倡议,如“绿色”倡议,如绿色”倡议,如”倡议,如倡议,如家电的能效标签使用的增加和针对电子产品的EnergyStar80Plus机制,都增加了对用以提高伺服器、笔计本、高端台式和其它计算器、数据中心和联网应用中的DC-DC转换效率的功率MOSFET的需求。与此同时,终端用户需要额外的功能、丰富的性能体验和更小的尺寸,从而要求器件可以支持更高的功率密度并提高稳定性。

  到目前为止,在MOSFET封装和MOSFET封装和封装和器件设计方面,我们已经取得了具大的突破,以满足宽范围的各种需求。新一代的功率MOSFET将高性能封装MOSFET将高性能封装将高性能封装技术与最新的芯片优势相结合,可以将功率转换提升一个等级,特别是对于那些要求更高频率操作的应用。在导通电阻RRDS(on)与栅极电荷Qg方面得Qg方面得方面得到进一步提高的同时,新型MOSFET处理架构降低了MOSFET栅极电阻并MOSFET栅极电阻并栅极电阻并提高了电阻/有源区域(R*AA)品质/有源区域(R*AA)品质有源区域(R*AA)品质R*AA)品质)品质因数,进而在实现同步转换频率的进一步提升方面起到日益重要的作用。
  
  优化的封装性能
  自20世纪90年代初以首款20世纪90年代初以首款世纪90年代初以首款90年代初以首款年代初以首款SO-8功率MOSFET问世以来,已经功率MOSFET问世以来,已经MOSFET问世以来,已经问世以来,已经出现了数代的表面安装型功率封装。目前已经开发出了双面制冷、大的金属引脚框和键合至裸片级电阻触点的技术,从而将结点到壳(RTHj-c)的RTHj-c)的)的热阻影响最小化并抵抗电子损耗机制,如无晶片封装电阻(DFPR)和DFPR)和)和寄生电感。成功的功率封装包括适用于小占位面积应用的IR的无引线功率QFN(PQFN)。

  在针对MOSFET设计的大多数有MOSFET设计的大多数有设计的大多数有效封装中,最突出的便是国际整流器公司(IR)的DirectFETIR)的DirectFET)的DirectFETDirectFET®。特别值得一提的是这种封装架构简易性,如果与PQFN这种替代封装相比较,具有PQFN这种替代封装相比较,具有这种替代封装相比较,具有更少的接口,从而使得DirectFET成DirectFET成成为适用于各种应用的、具有吸引力的解决方案,在这些应用中可靠性是最主要的设计要求。最新一代的IRDi-IRDi-rectFET封装技术通过将各种技术结合封装技术通过将各种技术结合来降低RTHJ-c并将DFPR降低到一个RTHJ-c并将DFPR降低到一个并将DFPR降低到一个DFPR降低到一个降低到一个与MOSFET芯片的RMOSFET芯片的R芯片的RRDS(on)没有显著差别的水平,提供接近于理想化的性能。DFPR,以及寄生电感,已经通过简化,以及寄生电感,已经通过简化的架构得以成功降低,并将电流必经的材料的数量最小化。图1的横截面1的横截面的横截面图展示了DirectFET封装技术的特性,DirectFET封装技术的特性,封装技术的特性,这些技术的结合有效的使得主要电子和热寄生效应最小化。
  


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图2a:在上电状态上的电源电感的效果。

  如图所示,MOSFET芯片由一个MOSFET芯片由一个芯片由一个与专有的钝化系统相连接的顶层金属构建而成。这就创建了在芯片表面上,与栅极和源之间的大接触面。然后,芯片被夹起,将终端带入与PCB的直PCB的直的直接触点。这种架构不仅省去了传统的产生高封装阻抗的引线框和焊线,而且省去了寄生封装材料,这些材料与DirectFET封装中使用的材料相比,具有相对较高的热阻。

  采用DirectFET封装有助于减少DirectFET封装有助于减少封装有助于减少PCB本身的损耗和热生成。这一设计本身的损耗和热生成。这一设计使得源和栅极盘与PCB之间的接触PCB之间的接触之间的接触区域最大化,以实现最优的电子效率和热效率,而吸收(负载)电流的传导经过外壳而不是通过PCB,省去了PCB轨道中I轨道中II2R损耗的影响。这就大损耗的影响。这就大大增强了总体的效率。同时,大的铜层吸收连接为散热提供了一个备选路径,并为外部散热提供了非常有效的散热接口。

  另外,DirectFET封装具有极低的DirectFET封装具有极低的封装具有极低的源电感(Ls),大的栅极和源终端还允Ls),大的栅极和源终端还允),大的栅极和源终端还允许与驱动电路互联,在高电流路径中无需包括任何的PCB漏电感。这就产PCB漏电感。这就产漏电感。这就产生了极好的高频转换性能,具有提升的开关特性和低电路转换损耗,如同步降压转换器中的损耗.


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图2b:Ls在功耗方面的影响。2b:Ls在功耗方面的影响。:Ls在功耗方面的影响。

  源电感和转换损耗
  低的源电感通过将同步降压电路中的通用源阻抗的除偏差作用最小化,有助于降低在开关ControlFETControlFET过程中的转换损耗。为了强调利用DirectFET所达到的低电源电感的优所达到的低电源电感的优势,图2显示出了在转换一个同步降2显示出了在转换一个同步降显示出了在转换一个同步降压转换器的controlFET时,Ls的效controlFET时,Ls的效时,Ls的效Ls的效的效果。在上电时,随着栅级驱动电压的增长和FET的打开,在Ls上引发了FET的打开,在Ls上引发了的打开,在Ls上引发了Ls上引发了上引发了压降。这个压降减少了Vgs,因此接Vgs,因此接,因此接近了MOSFET的上电。这就增加了器MOSFET的上电。这就增加了器的上电。这就增加了器件的上电时间,因此增加了开关损耗。当在关断状态下,就会产生相反的效果,引起Vgs的升高。这就延长Vgs的升高。这就延长的升高。这就延长了关断时间,并且进一步的增长了开关损耗。图2a显示了Ls在功耗方面2a显示了Ls在功耗方面显示了Ls在功耗方面Ls在功耗方面在功耗方面的影响。

  DirectFET封装,与PCB设计的封装,与PCB设计的PCB设计的设计的最优化设计效果相结合,将这种效果最小化,从而实现提升的效率和更低的热耗散。与别的封装相比,其它的寄生电感也显著降低,有助于更快速的转换,以及更低的转换损耗。这些包括漏源电压(Lds)和栅级电感(Lg)。Lds)和栅级电感(Lg)。)和栅级电感(Lg)。Lg)。)。由于栅极直接被焊接到了PCB上,因PCB上,因上,因此Lg非常低。Lg非常低。非常低。


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图3:通过降低MOSFETRg而实现的效率提升

  下一代芯片支持业界领先的性能
  很明显,DirectFET技术已经在DirectFET技术已经在技术已经在封装和PCB级两个方面实现了大量的性能提升。在MOSFET芯片级方面的MOSFET芯片级方面的芯片级方面的提升更难实现;已经高度应用了工艺、架构和材料技术,而且众所周知,用于降低RRDS(on)以增强传导性能的已有技术将会提高栅极电荷(Qg),导致Qg),导致),导致更高的转换损耗。

  同步拓朴的出现,提高了典型降压转换器的效率,MOSFET厂商已MOSFET厂商已厂商已经能够通过提供结合了单独优化用于controlFET和syncFET循环的MOS-和syncFET循环的MOS-syncFET循环的MOS-循环的MOS-MOS-FET芯片集的器件,将这些提升最大芯片集的器件,将这些提升最大化。在这些芯片集中,controlFET最controlFET最最优用于将转换损耗最小化,而syncsyncFET的特性是为低传导损耗排序。

  RDS(on)和Qg之间的权衡表现成Qg之间的权衡表现成之间的权衡表现成为进一步提高MOSFET性能的障碍。MOSFET性能的障碍。性能的障碍。提升主要集中在优化基于[R[RDS(on)xQg]的器件特性方面,作为功率MOSFETMOSFET的主导FOM。然而,最新的Direct-FOM。然而,最新的Direct-。然而,最新的Direct-Direct-FETplus系列器件采用新的芯片结构,系列器件采用新的芯片结构,不仅进一步降低了RRDS(on)和Qg,而且Qg,而且,而且还提供了业界领先的RRDS(on)*AA质量质量因数,同时降低了额外的参数,有助于降低功耗,即栅极阻抗(Rg)。

  极阻抗(Rg)的影响
  当研究在300kHz的频率以上,300kHz的频率以上,的频率以上,同步整流器中的MOSFET的性能时,MOSFET的性能时,的性能时,IR工程师发现,具有低Rg的器件提供了比竞争器件稍大的效率,很明显的实现了更好的FOM。图3显示了采FOM。图3显示了采。图3显示了采3显示了采显示了采自两个具有12V输入和1.2V输出、转12V输入和1.2V输出、转输入和1.2V输出、转1.2V输出、转输出、转换频率为300kHz,并采用标准的5V300kHz,并采用标准的5V,并采用标准的5V5V栅极驱动器的同步降压稳压器的效率量度。同时也显示了在每个设计中用于FET和syncFET的标准的FOM和FET和syncFET的标准的FOM和和syncFET的标准的FOM和syncFET的标准的FOM和的标准的FOM和FOM和和[RgxQg]产品。尽管具有35%的更低产品。尽管具有35%的更低35%的更低的更低的传统FOM(RFOM(Rds(on)xQg),具有更高,具有更高RgxQg的器件实现了更低的工作频的器件实现了更低的工作频率;其中的偏差在于传统FOM并未FOM并未并未被算入各种损耗机制的Rg影响上,Rg影响上,影响上,其中包括syncFET上的Cdv/dt,栅极驱动器和空载时间。


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图4:在300kHz和800kHz下的效率量度。

  作为一个实例展示,4显示显示了随着工作频率从300kHz提高到300kHz提高到提高到600kHz,降低的controlFET的Rg如,降低的controlFET的Rg如controlFET的Rg如的Rg如Rg如如何对于效率具有巨大的影响。

  降低Rg在防止syncFET的Cdv/Rg在防止syncFET的Cdv/在防止syncFET的Cdv/syncFET的Cdv/的Cdv/Cdv/dt感应导通方面也有效果。由于con-感应导通方面也有效果。由于con-con-trolFET的上电所引起的syncFET漏的上电所引起的syncFET漏syncFET漏漏极电压的快速增长,可以产生这种假象的上电。快速增长的电压通过器件的Cgd电容(这个电容足以将syncCgd电容(这个电容足以将sync电容(这个电容足以将syncsyncFET打开),在syncFET栅级上引发打开),在syncFET栅级上引发syncFET栅级上引发栅级上引发电压峰值。尽管对于器件不会产生灾难性破坏,但是Cdv/dt引起的上电会

 


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图4:在300kHz和800kHz下的效率量度。

  


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图5:与R5:与R:与RRDS(on)xQg和FOM相关的新的MOSFET性能进化。

  带来具大的损耗,这种损耗大致与负载电流无关,因此在整个负载范围上削弱了效率。这种效果还损害到了转换器的可靠性。

  典型地,要通过保证syncFET具syncFET具具有低栅漏电荷、Qgd和低的电荷比Qgd和低的电荷比和低的电荷比(Qgd/Qgs1)来避免Cdv/dt引致的上Qgd/Qgs1)来避免Cdv/dt引致的上)来避免Cdv/dt引致的上Cdv/dt引致的上引致的上电。Qgs1决定了使栅极从接到移至上Qgs1决定了使栅极从接到移至上决定了使栅极从接到移至上电阙值所需的大量电荷。当漏电压上升到15V时,Qgd定义为Cgd电荷。15V时,Qgd定义为Cgd电荷。时,Qgd定义为Cgd电荷。Qgd定义为Cgd电荷。定义为Cgd电荷。Cgd电荷。电荷。一般而言,充电比接近于1.0,则被认1.0,则被认,则被认为足够低,可以消除Cdv/dt上电。然Cdv/dt上电。然上电。然而,在电荷比中的典型降低可以影响到RRDS(on)。更低的Rg有助于补偿更高Rg有助于补偿更高有助于补偿更高的电荷比,允许保持低RRDS(on),而无需增加Cdv/dt的风险。Cdv/dt的风险。

  降低Rg更深层次的优势在于Rg更深层次的优势在于更深层次的优势在于保护在整个芯片上保证了更平衡的MOSFET单元上电,我们所思考的是单元上电,我们所思考的是功率MOSFET包括大量的平行互联的MOSFET包括大量的平行互联的包括大量的平行互联的单元。为单个的单元保证更加统一的上电特性可以避免暂时使一小部分单元至满负载电流。


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图6:DirectFETplus系列的性能潜力。

  Rg和驱动器选择

  当转换器的设计者为syncFETsyncFET和controlFET选择适当的栅级驱动controlFET选择适当的栅级驱动选择适当的栅级驱动器时,低Rg就提高了设计自由并允Rg就提高了设计自由并允就提高了设计自由并允许选择更低成本的驱动器。基于相同的原因,即优化的DirectFET栅极互DirectFET栅极互栅极互连降低了对于高强度栅极驱动器的依赖,栅极驱动器中的低阻抗也是需要达到的。采用一个低RgMOSFET允RgMOSFET允允许设计者将栅极驱动输出电流的阻抗与MOSFET栅级电路的阻抗相匹配,MOSFET栅级电路的阻抗相匹配,栅级电路的阻抗相匹配,从而在采用低成本、低功率栅极驱动器时,以保证稳定而持续的转换。

  SyncFET的进一步优化
  在syncFET上电过程中,在栅极syncFET上电过程中,在栅极上电过程中,在栅极电压达到其阙值的周期中,MOSFETMOSFET体二极管承载着大多数的负载电流。当栅极电压达到其阙值时,负载电流逐渐转移至MOSFET通道。将肖特基MOSFET通道。将肖特基通道。将肖特基极管与MOSFET芯片相结合可以有效MOSFET芯片相结合可以有效芯片相结合可以有效的将二极管在这种转换过程中的反向恢复损耗降至最低,因此有助于提高效率。在更高的操作频率下,通过采用集成了肖特基二极管的syncFET所syncFET所所取得的效率增益更大。通过下面的功耗的表达式,可以从数学的角度展示出这些,这个公式显示了Qrr的影响Qrr的影响的影响和二极管导通损耗如何随着操作频率的升高而升高:
  Ploss=(1-D)•(Irms2•RDS(On))+(Qg•Vg•f)+(Qoss•Vin•f)/2+(Qrr•Vin•f)+(tDT•Iout•f•Vf)

  器件设计和评估
  只要考虑到器件的设计,MOS-MOS-FETRg可以显著降低到1可以显著降低到11Ω以下,而在其它损耗相关的参数方面没有任何损失。

  当为高频同步镇流器选择MOS-MOS-FET时,工程师现在还需要考虑到除时,工程师现在还需要考虑到除了传统的RRDS(on)xQgFOM以外,Rg以外,RgRg在转换器效率方面的影响。图5描述5描述描述了根据已经建立的FOM和修改的公FOM和修改的公和修改的公制[R[RDS(on)xQgxRg],IR的DirectFET,IR的DirectFETIR的DirectFET的DirectFETDirectFET功率MOSFET的进化。产品被认为是MOSFET的进化。产品被认为是的进化。产品被认为是一个新的FOM,未来可以指导高频同FOM,未来可以指导高频同,未来可以指导高频同步转换器的设计。

  结合后的长处
  当与DirectFET封装技术相结合DirectFET封装技术相结合封装技术相结合时,低RgMOSFET的效率优势得以RgMOSFET的效率优势得以的效率优势得以进一步放大。由于更高的Rg将可能Rg将可能将可能削减DirectFET的低栅极电感所产生DirectFET的低栅极电感所产生的低栅极电感所产生的开关速度的优势,因此,当采用与PQFN等封装相对的DirectFET封装等封装相对的DirectFET封装DirectFET封装封装时,具有低Rg(小于0.5Rg(小于0.5(小于0.50.5Ω)的MOS-MOS-FET将以更低的驱动以高频进行转换。将以更低的驱动以高频进行转换。这可以使工程师通过具有一个指定的强大的驱动器,来节约成本和功率.

  IR已经将这些技术结合到其最新已经将这些技术结合到其最新的DirectFETplus系列MOSFET中,DirectFETplus系列MOSFET中,系列MOSFET中,MOSFET中,中,使得电源设计者可以继续提高同步转换器的效率,用于提高采用各种额定功率的消费类和专业设计中的同步转换器的效率。

  图6显示了利用IRF6811/IRF68946显示了利用IRF6811/IRF6894显示了利用IRF6811/IRF6894IRF6811/IRF6894DirectFETplus芯片集构建,采用双相芯片集构建,采用双相同步转换器达到的效率。当在300kHz300kHz的工作频率下,不带散热器的情况下,12V至1.5V转换器达到94.5%的效率,至1.5V转换器达到94.5%的效率,1.5V转换器达到94.5%的效率,转换器达到94.5%的效率,94.5%的效率,的效率,指出设计者如何在100W电压范围的100W电压范围的电压范围的电源取得新的效率标准。

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