业界第一个商用TMBS整流器与传统整流器电子应用的对比

　　引言

肖特基整流器通常是高频电子应用更为理想的选择，由于它们具有高开关速度和低正向(导通状态)压降，其低正向导通能量损耗非常关键。但是直到最近，大多数应用的硅基肖特基势垒整流器都受到了低于100 V的工作电压的限制。

一直以来，肖特基势垒整流器的反向阻断电压都受到了比200 V低得多的电压的限制。这部分地是由于当反向阻断能力接近200 V时，肖特基整流器的正向压降(VF)将接近PIN整流器的正向压降，使之在应用中的效率更低。为了适当地端接高反向电场，P型半导体保护环将在正向导通模式下把少数载流子注入到N型漂移区。这些载流子将导致高开关损耗，并在开关条件下减慢肖特基整流器的响应速度。

利用创新的沟道式MOS势垒肖特基(TMBS)整流器可以降低传统平面肖特基器件的所有局限性，这是由采用创新制造的边缘端接(edge termination)设计的新的Vishay沟道MOS(金属氧化物硅)专利技术创建的，如图1所示。

图1 采用新颖沟道端接设计的TMBS二极管的示意横截面。Wt、Wm和Ht分别代表沟道宽度、硅细线宽度和沟道深度

沟道MOS结构还可以实现漂移区的电荷耦合效应。如图2所示，TMBS结构的耦合效应将把电场分布从线性变为非线性，并成功地改变电场分布，使较强的电场从肖特基金属硅界面转移到硅衬底(silicon bulk)。减少的表面电场将抑制势垒下降效应，显著减少一个给定肖特基势垒高度的泄漏电流。这将有助于降低所使用的肖特基势垒的高度，而不必牺牲反向泄漏性能，进而使正向导通状态压降有所下降。

图2 沿半导体漂移区的TMBS与平面肖特基器件电场曲线的比较。左侧的X轴是硅表面，这里形成了肖特基势垒

Vishay发布的所有100 V、120 V、150 V和200 V TMBS整流器都采用了浅沟道(最深2.1 um)和薄氧化物厚度(最厚0.3 um)，它可以大幅度缩短沟道蚀刻制造所需的处理周期时间，因此可以提高制造工艺的吞吐量。

　　器件特征描述

本部分将仅涉及100 V和200 V TMBS整流器的器件特征描述，但是其结论可适用于其他电压的TMBS器件。

40 A/100 V TMBS的特征

与传统60 A整流器相比，40 A/100 V TMBS器件显示出了改善的正向压降性能，如图3a和3b所示。

　　图3a和3b TMBS和传统平面肖特基整流器的正向电压比较

TMBS器件的开关性能更好，如图4所示。

　　图4 TMBS和平面肖特基整流器的Trr曲线

200 V TMBS的特征

与数据手册额定值为90 A的行业标准平面肖特基势垒整流器，以及来自领先功率半导体制造商的三种类型的30 A额定值的超快恢复二极管(UFRD)相比，200 V TMBS器件显示了在结温为+125℃，电流密度为180/cm2的条件下，至少可以改善13 %(图5)。值得注意的是，由于UFRD在200 V市场上占有统治地位，与相同片芯尺寸的UFRD相比，在电流密度为180 A/cm2(在TJ = +125℃条件下)时，200 V TMBS整流器显示了16 %的VF 改善，而其开关特性都是相同的(表1)。在IF = 15 A，di/dt = 200 A/uS，VR = 200 V及TJ = +125℃条件下，观察到了一个商用UFRD(2型)优于200 V TMBS整流器的反向恢复性能，但是在180 A/cm2相同的电流密度下，VF 要比200 V TMBS器件高19 %。

　　图5 基准条件下(TJ = +125℃)200 V整流器的JF VF曲线

200 V整流器比较

应用

如上述器件的特性一样，本部分将仅关注100 V和200 V的TMBS整流器，但是结论均可用作已发布的其他电压器件的参考。

为了在实际应用中对比新型TMBS整流器与传统平面肖特基器件，我们进行了一系列实验，对TMBS器件及采用平面技术的肖特基整流器产品进行了测试。

350 W/100 V SMPS

为了对100 V应用进行分析，使用了350 W开关模式电源(SMPS)作为测试对象。额定值为40 A的100 V TMBS器件与额定值为20 A的100 V行业标准肖特基整流器(MXXXXH100CT)，以及两个额定值为60 A/100 V(XXCTQ100和STXXXXH100CT)这类器件进行了比较。这个评估中的所有器件都采用标准TO-220封装。

如表2的结果所示，我们发现，在67 %输出(约235 W)的满度额定功率水平，额定20 A的器件可实现最低78.3 %的总电源效率。当用20 A的器件替代同一个电源插槽的额定60 A的器件时，观察到了效率的提高。

表2 350 W SMPS上的效率评估，TMBS整流器与行业标准平面肖特基产品的比较

　　120 W/100 V适配器

使用120 W适配器还测试了额定值为40 A和100 V(VTS40100CT)的TMBS整流器。这个应用的典型解决方案是一种同步整流方法，可以用两个40 A/100 V MOSFET以及一个匹配的驱动IC来实现。表3所示为测试得出的数据，在满度额定120 W输出条件下