高效的AC/DC SMPS與DC/DC轉換器是現代功率架構的主干，用于驅動電信或計算機等系統。為了滿足市場對這些轉換器的需求，英飛凌科技推出了全新的100V MOSFET系列器件。該系列器件以電荷平衡為基礎，可大幅度降低導通電阻。通過組合應用低柵電荷、高開關速度、卓越的抗雪崩能力及改進的體二極管（body-diode）特性，使這些器件適用于多種不同的應用。
簡介
今天，電信與計算系統中的嵌入式功率系統面臨著功率密度日益增加帶來的挑戰。盡管功率要求不斷提高，但功率系統空間且保持不變。這些需求只有通過更高的系統效率來實現。
改進可在不同的級別實現——系統、轉換器和器件級別。新的功率架構可降低系統級別的損耗。優化AC/DC和DC/DC轉換器的拓撲結構可提高轉換器級別的效率。新型MOSFET技術可提升器件級別的效率。MOSFET是功率轉換器中的關鍵組件。更好的技術可使現有拓撲結構采用更具挑戰性的工作條件——增加開關頻率甚至可以改變其他拓撲結構。
英飛凌的新型OptiMOSTM2 100V技術可提供當今市場上最快的開關速度和最低的導通電阻（參見圖1）。此外，帶有超低柵電荷的高速系列（HS系列）可進一步將速度提升33%。
新型OptiMOS2 MOSFET的先進理念
功率MOSFET的補償理念是在1998年上市的600V CoolMOSTM產品中推出的。與傳統功率MOSFET相比，Rds(on) A大幅度降低的基本原理是由位于P柱的受體對N漂移區的施體進行補償。
對于擊穿電壓低于200V的應用而言，溝道場極板MOSFET是很好的選擇。場極板的應用可明顯改善器件的性能。器件包含深入大部分N漂移區的深溝道。絕緣深源電極通過厚氧化層與N漂移區隔離開，并作為場極板提供阻斷條件下平衡漂移區施體所需的移動電荷。厚場極板絕緣必須能夠承受溝道底部的阻斷電壓。相應地，以微米為單位的氧化物厚度也必須小心控制，避免底部溝道角落的氧化物過薄，并防止出現應力導致的缺陷。與標準MOS結構不同（標準MOS結構的電場呈線性下降，在體/漂移區pn結合部下降到最大值），場極板可帶來幾乎恒定的電場分布，因此可縮短面向既定擊穿電壓的漂移區長度。此外，漂移區摻雜度可有所提高，以降低導通電阻。實際上，Rds(on) A甚至可降低到低于所謂的“硅極限值”——既定擊穿電壓下理想p+n-結點的導通電阻。場極板和溝道柵MOSFET的組合應用可帶來當今市場上最低的電阻和最快的硅開關技術。
應用優點
在嵌入式功率系統中，目前面向100V MOSFET的主要應用有三種：AC/DC前端同步整流開關（輸出電壓12V～20V）、48V寬范圍電源母線上的功率開關以及利用48V電源母線進行操作的隔離式DC/DC轉換器的原邊側主開關。極低的Rds(on) 值對以上所有應用都有利。100V OptiMOS2技術的其他功能適用于其中的一些具體應用。
電荷平衡的應用使OptiMOS2 100V技術在大多數應用領域都具有很強的競爭力。這種技術可在單一器件里同時實現基準性關鍵參數如Rds(on) 、Qg、Qgd、Crss/Ciss比值和卓越的抗雪崩能力等。低導通電阻Rds(on) [12.5mΩ（max）@D-Pak，5.1mΩ（max）@D2-Pak]加上快速開關能力，以及卓越的抗雪崩能力使OptiMOS2 100V成為安全、高性能和高功率密度應用的正確選擇。
1.抗雪崩能力
雖然電感負載在電機控制及類似應用中存在，但在嵌入式功率系統中并沒有， 因此MOSFET安全處理雪崩事件的能力至關重要。上述所有應用可能要面對諸如雷擊或其他不可預見性事件所造成的故障，使這些器件處于雪崩狀態。可靠的抗雪崩能力確保系統安全運行，即使在這些糟糕狀況下。
在硅技術級，有兩種機制可以在雪崩期間提供電荷載體。
第一種機制與MOSFET中寄生npn晶體管的導通有關。這是一種非熱破壞，因為它是由電流通過p基區造成的。一旦該區域的壓降大到可以順向偏壓繞過基極發射極勢壘，晶體管就會導通。該機制具有自動放大功能，可導致電流限制型雪崩特性。對于功率MOSFET來說，這種限制并不有利，因為只要達到臨界電流水平，即使是非常低的能量都足以破壞器件。
第二種機制與載體的雪崩產生相關。器件上的過電壓足以將單個自由電子加速至可以再次產生自由電子的水平，從而帶來連鎖反應。器件中的能量耗散分布在漂移區。在該機制下，器件雪崩能力限制是由該器件吸收（熱）能量的能力決定的。這個故障機制被稱為熱破壞機制。
器件由于熱破壞而發生故障，并呈現出圖2曲線所描述的特性。這里的推斷線與不同溫度下的平均故障電流值相對 應。與零電流線的交叉點標志著器件的固有溫度，是器件抗雪崩能力的衡量指標。圖2表明，與以前的技術相比，全新100V OptiMOS2器件具有強大的抗雪崩能力。
2.對動態導通的抗擾性
降低SMPS里的功率損耗最有效的方法就是將二次側整流從無源系統（使用二極管）變為有源同步整流（使用MOSFET）。對于輸出電壓12V～24V（取決于拓撲結構）的應用而言，100V MOSFET是同步整流的正確選擇。由于有相應的傳導損耗，Rds(on)成為同步整流的關鍵參數。
但用于二次側整流的MOSFET也帶來了額外的風險。其中最顯著的方面是動態導通。在硬開關拓撲結構中，當器件開始阻斷時，可能有非常大的從漏極到源極的dv/dt值。這種dv/dt值通過容性Cgd/Cgs分壓器與柵極聯系起來，并可動態接通相關器件（圖3）。在這種情況下將形成短路，導致MOSFET和變壓器損耗大幅度提高。100V MOSFET技術對動態導通的抗擾性估算如下。
3.最低的FOMg和FOMgd值
有效功率轉換的最高需求是在面向電信和服務器電源以及類似系統的DC/DC轉換領域。這些轉換器要求以有效方式提供最高的電流。這只有通過利用最先進的組件和拓撲結構并采用250kHz及以上的開關頻率才能實現。
對于標準48V寬范圍系統而言，100V MOSFET通常作為半橋或全橋拓撲結構中的原邊側主開關。由于開關頻率非常高，需要低導通電阻Rds(on)，亦需要低柵電荷Qg。FOMG（Rds(on)、Qg）成為MOSFET選擇的一個可靠衡量尺度。此外，與開斷損耗直接相關的Qgd也同樣重要。圖4展示了100VOptiMOS2技術對DC/DC轉換器主側整體效率的影響。注意，整體效率僅增加1%將意味著MOSFET開關溫度下降17℃。D類放大器也有類似的要求，在D類放大器中，MOSFET運行在半橋或全橋拓撲結構里。
100V MOSFET的應用涵蓋眾多要求。新型OptiMOS2 100V系列采用了先進的MOSFET技術，可為安全、快速開關和最低電阻功率MOSFET器件提供所需的特性（參見圖1）。