利用PowerTrench MOSFET应对更高功率密度的新挑战

引言

随着社会经济从纸张型向数字信息管理型方向发展，用于数据处理、存储和网络的数据中心在个人业务、学术和政府体系等众多领域发挥着重要的作用。不过，与此同时，数据中心的供电和冷却成本也在不断攀升。对于现代的数据与电信电源系统，更高的系统效率和功率密度已成为核心焦点，因为小型高效的电源系统意味着节省空间和电费账单。

从拓扑的角度来看，同步整流器的传导损耗和开关损耗都更低，能够提高这些转换级的效率，因而是开关模式电源次级端的基本构建模块，在服务器电源或电信整流器等低压及大电流应用中非常流行。如图1所示，它取代了肖特基整流器，可使电压降变得更小。从器件角度来看，过去十年中，功率MOSFET晶体管的进展巨大，催生出了新颖的拓扑和高功率密度电源。20世纪早期平面技术问世之后，中低电压MOSFET迅速被开发出来，利用沟槽栅技术来大幅提高性能。沟槽栅MOSFET是中低电压电源应用的首选功率器件，其把一个栅极结构嵌入到精心蚀刻在器件结构上的沟槽区域中。这种新技术可以提高沟槽密度，并无需JFET阻抗元件，因此能够使特征导通阻抗降低30%左右。当MOSFET的导通阻抗与漏极电流的乘积小于二极管正向电压降时，同步整流的能量损耗降低。

不过，在同步整流方面，低导通阻抗并非电源开关的唯一要求。为了降低驱动损耗，这些器件的栅极电荷也应该很小。软体二极管的反向恢复特性有助于削弱电压尖刺的峰值，从而降低缓冲电路损耗。另外，还有输出电荷QOSS和反向恢复电荷Qrr造成的开关损耗。因此，中低压MOSFET的关键参数，如RDS(ON)、QG、QOSS、Qrr和反向恢复特性，直接影响到同步整流系统的效率。被称为PowerTrench MOSFET的新型中压功率MOSFET，则针对同步整流进行了高度优化，可为服务器电源或电信整流器提供更高的效率和功率密度。

针对同步整流进行优化的功率MOSFET

在开关模式电源中，RDS(ON)×QG FOM（品质因数）一般被视为衡量MOSFET性能的唯一重要的指标。因此，已经开发出数项提高RDS(ON)×QG FOM的新技术。虽然这些年来MOSFET技术和单元结构经历了巨大的革新，但MOSFET垂直单元结构大致仍可分为三类：平面型、沟槽型和横向型。在这三类结构中，沟槽栅MOSFET已成为BVDSS<200V的高性能分立式功率MOSFET的主流。这主要是因为这种器件不仅特征导通阻抗特别低，而且能够在BVDSS范围内获得出色的RDS(ON)×QG品质因数（FOM）。

沟槽栅结构可以大幅减小沟槽阻抗（Rchannel）和JFET阻抗（RJFET），而对低压MOSFET（BVDSS<200V）来说，JFET阻抗正是造成导通阻抗的主要原因。沟槽结构能够提供最短的漏-源电流路径（垂直），以此降低RDS(ON)，利用这种醒目的优势，无需任何JFET夹断效应（pinch-off effect）即可提高单元密度。每个区域的相关阻抗所占的百分比差异很大，取决于具体的设计与BVDSS。尽管降低传导损耗必需要降低RDS(ON)，但必须考虑到更高的FOM，对现有最优化结构的沟槽深度和宽度进行权衡折衷。标准沟槽单元常常有一些变体设计，旨在保持低阻抗，同时提高FOM。图2所示的传统沟槽栅结构通过增加沟槽的宽/长比来获得更低的导通阻抗。为了提高开关性能，增大CGS/CGD比，随之业界又开发出了在沟槽底部生长一层厚氧化层的技术，如图3所示。

这种方案不仅有助于减小栅-漏叠加电容CGD，还能改善漂移区阻抗。此外，它也有利于降低导通阻抗与栅极电荷，因为现在可以一方面通过薄栅极氧化层来获得更低的Vth与导通阻抗，同时又还可以在沟槽底部采用加厚氧化层以获得最低的CGD。还有一种技术就是采用电荷平衡或超级结器件结构。它最初是针对高压器件开发的，现在也可用于低压器件。利用电荷平衡方案，可以在漂移区获得两维电荷耦合，因而能够在漂移区采用更高的掺杂浓度，最终降低漂移阻抗。相比前代技术，这种新型中压功率MOSFET不仅在特征阻抗方面有大幅度改进，同时其原本相当出色的开关特性也得到进一步提高。

除了RDS(ON)和QG之外，同步整流结构中的其它参数，如体二极管反向恢复、内部栅极阻抗以及MOSFET的输出电荷（QOSS），现在也变得更具相关性。在开关频率和输出电流较高时，这些损耗元件的重要性便更为明显。飞兆半导体的中压MOSFET产品现在开始针对二极管反向恢复以及输出电容的最小化进行优化。

同步整流的功耗

电源开关的主要功耗是传导损耗和开关损耗。此外还有输出电容引起的电容性损耗、漏电流造成的关断状态（off-state）损耗、反向恢复损耗和驱动损耗。在高压大功率应用中，这些损耗常常被忽略；而对于数瓦的应用，众所周知电容