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IC的结构跟电气特性doc301
PowerMOSFETIC的結構與電氣特性
宇量
PowerMOSFETIC(以下簡稱為MOSFET)廣泛應用在各種電源電路與汽車等領域,雖然最近幾年MOSFET在高速切換(switching)與低ON阻抗化有相當的進展,不過一般認為未來MOSFET勢必會朝高性能方向發展,因此本文要介紹MOSFETIC的構造、電氣特性,以及今後技術發展動向。
MOSFETIC的構造
圖1是NchannelPowerMOSFETIC的斷面構造,本MOSFET的gate與source之間,亦即gatepad的周圍設有可以防止靜電破壞的保護二極體,因此它又稱為bodydiode。
馬達驅動電路與斷電電源供應器(UPS)等DC-AC轉換inverter等應用的場合,保護二極體可以充分發揮它的特性。
圖1PowerMOSFETIC的構造
圖2是MOSFET的結構分類,由圖可知MOSFET結構上可以分成縱型與橫型兩種type;縱型type還分成平板(planer)結構與溝槽(trench)結構兩種。
表1是上述結構特徵與主要用途一覽。
圖2PowerMOSFETIC的分類
構造
縱型
橫型
區分
低耐壓(100V以下)
高耐壓
(planer)
低耐壓
高耐壓
特性
planer
trench
耐高壓化
-
-
◎
-
△
低ON阻抗化
○
◎
△
△
-
低Ciss(低Qg)
○
○
○
◎
◎
低Crss(低Qgd)
◎
○
○
◎
◎
特徵
高耐壓、低電流
高速、高頻
用途
‧DC-DCconverter
‧驅動小型馬達
‧汽車電機
‧AC-DCswitching電源
‧UPS電源
‧inverter
‧RF增幅輸出
(行動電話)
數百MHz~數GHz
‧高頻電力增幅
(基地台設備)
表1PowerMOSFET的構造與用途
‧縱型構造
縱型構造適用於高耐壓/低ON阻抗MOSFET,目前中/高耐壓(VDSS=200V)的MOSFET大多採用縱型結構。
雖然部份低耐壓(VDSS=100V)的MOSFET也使用縱型結構,不過一般要求低容量、高速switching特性的場合,平板(planer)結構比較有利;要求低ON阻抗特性時,則以溝槽(trench)結構比較適合。
最近幾年製程與加工設備的進步,溝槽結構的MOSFET在低容量化(低Qg,Qgd化)有相當的進展,因此從應用面觀之縱型與溝槽結構的MOSFET,兩者的低容量化特性已經沒有太大差異。
如上所述縱型結構的MOSFET具備高耐壓、低ON阻抗、大電流等特徵,所以適合當作switching元件使用。
‧橫型構造
橫型構造最大缺點是不易符合高耐壓/低ON阻抗等要求,不過它低容量特性尤其是逆傳達容量(歸返容量)Crss非常小。
如圖2(b)所示,gate與source之間的容量被fieldplate遮蔽(shield),因此結構上非常有利。
不過橫型構造的cell面積很大,單位面積的ON阻抗比縱型構造大,因此一般認為不適合switching元件使用,只能當作要求高速/高頻等高頻增幅器常用的輸出控制元件(device)。
‧今後發展動向
橫型構造比較適用於低耐壓switching元件,主要應用例如驅逐CPUcore的VR(VoltageRegulator)等等。
一般認為VR未來會朝向0.8V/150A方向發展,此外為支援遽變負載可作高速應答,例如電流站立應答di/dt=400A/μs的速度特性,未來勢必成為必備條件之一。
由於低電壓化需求必需抑制電壓幅寬,相對的電壓變動容許值必需低於數十mA以下,然而複數電容並聯的結果,卻造成電路基板變大等困擾,有效對策是提高電源switching的頻率,也就是說目前200~300kHz的動作頻率,未來勢必將會被2~5MHzCPU驅動用VRB((VoltageRegulatorBlock)取代。
此外基於高頻領域的動作性等考量,結構上比較有利的橫型構造則被納入檢討。
由於橫型構造屬於source-source,因此要求高速性的highsideswitch已經採用橫型構造,lowsideswitch(整流用)則利用縱型結構將晶片堆疊在同一stem,藉此消除導線電感(inductance)進而形成高性能MOSFET元件。
MOSFETIC的應用
圖3是MOSFETIC主要用途與今後發展動向一覽;橫軸是元件的耐壓值VDSS,縱軸是元件應用上的動作頻率。
圖3PowerMOSFETIC用途與發展趨勢
(一).電源系統
電源系統要求MOSFETIC具備省能源(energy)、高效率、輕巧、小型、低噪訊(noise)、低高頻電流、高可靠性,以及高速負載應答(峰值負載電流)等特性。
在switching電源中,進展最快速的是DC-DCconverter與驅動CPU的VR,尤其是驅動CPU的VR,除了低電壓化/大電流化之外,今後更要求小型/高速化(高化),因此動作頻率(控制IC的PWM頻率)有高頻化的傾向。
雖然目前主流是200~300KHz,不過未來會逐漸朝400~700KHz,甚至1MHz高頻化方向提升。
然而高頻化的結果,卻造成MOSFET的switching損失大幅增加,雖然FOM(FigureOfMerit)是MOSFET高性能化的重要指標,不過基本上降低RDS(on),Qgd才是根本對策。
圖4是PowerMOSFETIC的性能指標,亦即FOM改善經緯。
圖5是gate內部阻抗Rg與電源效率的關係,由圖可知動作頻率ƒ=300kHz時,Rg會從3Ω變成0.5Ω,電源效率則改善1%以上;如果動作頻率ƒ=1MHz時,電源效率則改善5%以上。
雖然gate內部阻抗Rg會隨著元件種類出現差異,不過動作300kHz頻率超過以上高速動作時,建議讀者選用Rg低於2Ω的type。
VR用MOSFET的選擇重點如下:
a.highsidedevice
‧低ON阻抗(輸入電壓Vin會改變優先度)。
‧低Qgd特性。
‧低gate內部阻抗Rg(低於2Ω)。
b.highsidedevice
‧超低ON阻抗(輸入電壓Vin會改變優先度)。
‧低Qgd特性。
‧低Qg特性。
‧低Crss/Ciss特性(輸入電壓Vin會改變優先度)。
‧高速二極體特性(快速的逆復原時間trr)。
圖4低Qgd與低RD(an)化的發展動向
圖5gate内部阻抗與效率的依存性
(二).汽車電機
例如引擎控制器、安全氣曩、ABS、HEV/FCEV操控馬達、廢氣控制、車內LAN用繼電器代用品等,電路系統內部都可以發現功率MOSFETIC的蹤影,由於這些控制系統涉及人身安全,因此除了高可靠性之外,更要求MOSFET對所有破壞模式具備強大的耐量(承受能力;以下簡稱「耐量」)。
有關廢氣控制與省能源問題,低ON阻抗特性的MOSFET非常適合,不過為確保負載短路破壞耐量,所以低ON阻抗特性往往受到某種程度的犧牲,所幸的是具備過溫度遮斷功能的熱能(thermal)FET已經商品化,而內建智慧型((intelligent)電路,以保護電路簡略化/高可靠性為訴求,以及附設保護負載短路+自我診斷輸出端子、內建可以檢測溫度/電流功能的晶片,已經正式進入研發階段。
(三).馬達驅動應用
以往MOSFETIC的馬達驅動應用,主要是印表機、影印機、硬碟機等電腦與事務機器領域,最近幾年這些機器基於高速送紙、高速起動、高速停止的市場需求壓力,以及要求提高馬達的控制精度等來自設計者的需求,因此採用同時具備高速應達(response),與低損失、低耐壓功率MOSFETIC的case有逐年增加的趨勢。
此外上述應用基於成本考量大幅簡化驅動電路,因此以PchannelMOSFET與NchannelMOSFET補償型(complementary)元件居多,由於動作頻率大多低於50kHz,所以元件設計上非常重視低ON阻抗特性。
雖然理論上PchannelMOSFET的ON阻抗比NchannelMOSFET大,不過隨著製程微細化,兩者幾乎達到無差異程度。
採用內建Pchannel與Nchannel耐壓低於60V,外型封裝類似SOP-8小型元件的數量也不斷增加。
(四).可攜式電子產品
使用電池驅動的大電流(數A~10A)可攜式電子產品,以筆記型電腦(NoteBookPersonalComputer以下簡稱為NB-PC)最具代表性。
NB-PC的AC充電電源與電池切換選擇開關,以及各種負載開關(loadswitch),大多使用PchannelMOSFET;至於鋰離子電池的保護電路充放電開關,則使用小型封裝低ON阻抗的PchannelMOSFET。
隨著筆記型電腦的高速化與處理資料容量遽增,必需提供更大的電流給CPU,這意味著鋰離子電池的動作電流也隨著提高。
以往小型鋰離子電池pack大多是以呈密封狀態,因此大多使用小型封裝低ON阻抗的PchannelMOSFET。
目前耐壓-30V,RDS(on)=3.6mΩtyp,超低ON阻抗小型封裝的LFPAK(SOP-8pincompatible)已經商品化,RDS(on)=2.7Ωtyp同樣是小型封裝的產品HAT1125H,則正在開發中。
(五).Audio應用
以往AudioOP增幅器大多採取類比方式,最近受到省電化的影響,Audio設備也改用數位化switching技術。
由於AudioOP增幅器的電源,大多使用電源變壓器與大容量電解電容,因此電源模組若改用switching電源,理論上可以獲得小型、輕巧、省電等多重效益,不過實際上輸出模組的增幅器基於噪訊、偏斜率THD(TotalHarmonicDistortion)等,Audio設備特有的特性等考量,加上設備系統屬於類比結構,因此無法期待功率增幅器整體的效率可以獲得改善。
所幸的是電源模組與輸出增幅模組都導入switching技術,因此業者也逐漸改用數位化增幅器。
未來數位化增幅器適用於以上Audio高功率輸出段,該輸出段與switching電源一樣,屬於halfbridge與fullbridge結構,可用300MHz以上動作頻率switching。
上述電路與switching電源一樣,highside與lowside元件都設有所謂的deadtime,需注意的是設定時間過大的話,會有波形歪斜之虞。
此外利用PWM變調作數十ns脈衝寬度控制,switching速度太慢的話,同樣會影響波形歪斜,因此MOSFETIC必需具備100~150V的耐壓,數十mΩ低ON阻抗特性,數十pF以下低歸返(return)容量Crss,加上低噪訊化的等高速switching,與高Vth(Vth>3V)等特性。
一般認為今後除了噪訊與波形歪斜問題之外,低電感化、低容量化的同時,勢必針對封裝與元件結構進行特性提升,才能完全滿足以上的要求。
(六).家電設備
事實上功率MOSFETIC是日常生活不可或缺的必要元件之一,例如日光燈inverter就是由MOSFETIC典型應用實例。
今後MOSFETIC的應用,會擴展至液晶、電漿面板在內的各種平面顯示器,以及面板驅動用sustainswitching,與液晶電視的燈管驅動用inverter等領域。
MOSFETIC的發展動向
‧低電感化、低阻抗化封裝技術
如上所述隨著壓
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