OptiMOS 3功率MOSFET系列产品为高能效产品提供更高性能

引言
如今，客户要求产品不但节能，还要体积更小，从而推动功率转换行业向前发展。交流/直流和直流/直流转换器拓扑的不断发展，改善了转换器效率。功率MOSFET是功率转换器的核心部件，是设计高能效产品的基础。MOSFET设计的改进可使电路设计者充分发挥改进器件的性能，比如开关性能的提高和其他几个关键参数的改善，可确保转换器能够更高效地运行。某些情况下，还可对设计的电路进行修改。若不采用这些改进的MOSFET设计，就无法做到这一点。

2006年，英飞凌为了满足客户的要求，推出了OptiMOS™ 2 100 V MOSFET[1]。它是该电压等级里采用电荷补偿技术的第一个功率MOSFE器件。相对于传统的设计而言，它大幅降低了MOSFET导通电阻，并保持了出色的开关性能。

英飞凌推出的OptiMOS 3系列进一步改进了设计，使更高电压等级的器件能够受益于这种技术。在150 V 至250 V的电压范围内，OptiMOS 3器件不仅具备同类最佳性能，而且同时在几个重要参数上取得了改善。这种全新的器件具备较低的栅极电荷特性、较高的开关速度和良好的抗雪崩性能，从而成为众多开关电源（SMPS）产品的理想之选。这些产品包括用于电信设备和服务器的高效交流/直流开关电源和直流/直流转换器、D类放大器和电机控制驱动装置等。

器件概念

1998年，采用600 V CoolMOS™技术的商用化产品被推出，适用于功率MOSFET的补偿原理也随之问世。相对于传统的功率MOSFET，其RDS（on）XA大幅降低背后的基本原理是，通过位于P通道的受体对n漂移区施体进行补偿，如图1所示。

图1
对于击穿电压较低的产品而言，沟道场极板MOSFET是一个不错的选择。场极板的应用可明显改善器件的性能。该器件包含深入大部分N漂移区的深沟道。绝缘深源电极通过厚氧化层与N漂移区隔离开，并作为场极板提供阻断条件下平衡漂移区施体所需的移动电荷（如图1所示）。标准MOS结构的电场呈线性垂直下降，在体/漂移区pn结点具备最大的场强。这些器件无横向的电场分布。在场极板器件中，存在横向的电场分布，空间电荷区主要是沿着横向的方向扩展。因此，获得的纵向电场分布几乎是恒定的，而给定击穿电压所需的漂移区长度大幅降低。与此同时，漂移区的杂质浓度提高。这两种技术都可导致通态电阻的大幅降低。

扩展器件系列，实现更高阻断能力

占板空间更小的全新高效边缘终端结构的开发，使OptiMOS 3系列将这种技术的优势扩展至击穿电压高达250V的器件［3］。

终端结构与电荷补偿技术的有机结合，带来了极低的导通电阻和出色的优值（优值= 导通电阻 x 栅极电荷）。

图2
图2将其于目前最接近的竞争产品进行比较，清楚显示了这些技术在改善器件性能方面的优势。这些技术发展的终极目标是，确保开发的器件能够提供适用于各种系统要求的卓越解决方案。在电机控制装置等大电流产品中，采用D²-Pak和TO-220封装的最低电阻器件，可使导通损耗降至最低，并减少系统的并联器件数量。在快速开关产品中，极低的栅漏极电荷（QGD）和栅漏极优值（栅漏极优值＝导通电阻X栅漏极电荷）可大幅降低开关损耗，改善系统的整体能效。因此，采用SuperSO8封装的器件，是直流/直流转换器或D类放大器等产品的理想之选。此外，极低的导通电阻（RDS(on)）常常允许减小封装的尺寸。TO-247封装替换为TO-220封装，D²-Pak 或 TO-220经常可替换为SuperSO8。最终的结果是，确保开发出极其紧凑、节省板卡空间的解决方案，大幅改善开关性能。

另一个重要问题是并联，尤其是对于电机控制装置等大电流产品而言。为满足这种产品的各种要求，采用全套功率模块常常是比较有利的。这可确保改善热管理、降低寄生电感，并大幅提高整体性能。在这里，采用这种全新的器件，可显著减少器件的数量。图3的例子显示了在功率模块中实现并联的大型OptiMOS 3 150 V芯片的开关波形。在这里，两个DCB实现并联，一个DCB基底上又并联8个芯片，从而实现一个三相、全桥拓扑。

图3
图3显示了一相开关在80 V电压和500 A开关电流条件下的开关特性。波形表明在关断阶段，过冲电压处于可接受的范围之内，开关顺利，未发现任何问题。

选择适当的封装

随着半导体技术迅速发展，封装已成为影响低压MOSFET的一个重要因素。尤其是封装电感可对导通损耗、整个器件和产品的性能产生重要影响。此外，由于这种最新技术的器件导通电阻尤其低，需要采用低电阻封装，避免器件的应用受封装特性限制。

如今，多数厂商的30V MOSFET器件技术，其芯片导通阻抗比TO-220的封装电阻低。业界最新的60V器件的封装电阻占器件总电阻的比例为30％以下——即使100 V器件的封装电阻（假设为1毫欧）的占比也超过了20％。因此，显然这种封装电阻会限制最低的导通电阻。此外，若给定了导通电阻，则需要一个更大的晶圆来实现，但是这会增加栅极电荷，导致降低器件的开关速度。

图4
图4显示的是，在最常见的低压MOSFET中，封装电阻占晶圆尺寸最大的器件的总电阻的比例。若要朝着更高功率密度、更高能效的功率转换器设计方向前进，需要采用SuperSO8、S3O8 或DirectFET/CanPAK等全新封装代替有管脚的SMD封装或适用于低压MOSFET的过孔器件。

由于存在封装电感，因此很容易估计出关断损耗。例如，输出电流和工作频率分别为30A和250 kHz的降压转换器，若采用D-Pak封装，可产生0.7 W的功耗，因为封装的总电感为6 nH。SuperSO8等低电感封装的电感仅为0.5 nH，功耗降至0.1 W以下。更低的封装电感也可有助于避免MOSFET在快速瞬变条件下，因源端管脚电感导致的误打开。

另一个与封装相关的课题是散热问题。采用改进的标准封装或选用新型封装，可改善散热性能。

图5
如图5所示，选用带7个管脚的D²Pak封装，代替标准的D²Pak封装，可避免出现热集中点，从整体上降低器件的温度。SuperSO8封装具备更多的优越性。

图6
图6对采用带7个管脚的D²Pak封装的器件与采用有效硅面积相同的SuperSO8封装的器件进行了比较。SuperSO8封装不仅改善了温度性能，还缩小了占板空间。此外，SuperSO8封装还可采用顶部制冷，从而进一步改进散热性能。

结论

通过推出适用于200 V和250 V电压级的OptiMOS 3器件，如今，英飞凌科技的产品已经覆盖从25V至250V的整个电压范围。无论任何电压等级，OptiMOS 3都具备一流的静态和动态损耗，使客户能够针对各种拓扑结构，设计出具备前所未有的能效和功率密度的功率转换器。

参者与

[1] R. Siemieniec、F. Hirler、A. Schlögl、M. Rösch、N. Soufi-Amlashi、J. Ropohl 和U. Hiller。全新、耐用的100V功率MOSFET, Proc. EPE-PEMC, 2006年

[2] G. Deboy、M. März、J.-P. Stengl、H. Strack、J. Tihanyi 和H. Weber。新一代高压MOSFET突破半导体极限、Proc. IEDM, 683-685, 1998年

[3] R. Siemieniec、F. Hirler 和C. Geissler。适用于垂直电荷补偿器件、占板空间更小的边缘终端结构、Proc. EPE, 2009年
作者：英飞凌科技研发部Ralf Siemieniec博士、Oliver Häberlen博士与英飞凌科技技术营销部Juan Sanchez
(图表说明文字)
图1：通过P掺杂通道（左侧）和场极板（右侧）补偿漂移区
图2：OptiMOS 3 150 V、200 V和250 V设立了导通电阻和优值的行业新标杆
图3：并联在一个功率模块内的OptiMOS 3 150 V芯片，在13％负载循环条件下的开关波形。左侧：显示导通和关断的整个脉波（200A/div、20V/div、4µs）。右侧：关断斜率（200A/div、20V/div、80ns）
图4：封装电阻占晶粒尺寸最大的器件的总电阻的比例（几种最尖端的技术的比较）
图5：带7个管脚的D²-Pak（左侧）与标准的D²Pak（右侧）的散热性能比较
图 6：带7个管脚的D²-Pak器件（左侧）与硅面积相同的SuperSO8器件（右侧）的散热性能比较
www.infineon.com/mosfets

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刘丹芹

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