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變頻電源的功率器件之高壓 MOSFET原理與性能分析

在功率半導(dǎo)體器件中，MOSFET以高速、低開關(guān)損耗、低驅(qū)動(dòng)損耗在各種功率變換，特別是高頻功率變換中起著重要作用。在低壓領(lǐng)域，MOSFET沒有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但隨著MOS的耐壓提高導(dǎo)通電阻隨之以 2.4~2.6次方增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速度使 MOSFET制造者和應(yīng)用者不得不以數(shù)十倍的幅度降低額定電流，以折中額定電流、導(dǎo)通電阻和成本之間的矛盾。即便如此，高壓MOSFET在額定結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通壓降仍居高不下，耐壓500V以上的MOSFET的額定結(jié)溫、額定電流條件下的導(dǎo)通電壓很高，耐壓800V以上的導(dǎo)通電壓高得驚人，導(dǎo)通損耗占MOSFET總損耗的 2/3~4/5，使應(yīng)用受到極大限制。

降低商壓MOSFET導(dǎo)通電阻的原理與方法

(1)不同耐壓的MOSFET的導(dǎo)通電阻分布。不同耐壓的MOSFET，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布也不同。如耐壓30V的MOSFET，其外延層電阻僅為總導(dǎo)通電阻的29%，耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導(dǎo)通電阻將幾乎被外延層電阻占據(jù)。欲獲得高阻斷電壓，就必須采用高電阻率的外延層，并增厚。這就是常規(guī)高壓 MOSFET結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的商導(dǎo)通電阻的根本原因。

(2)降低高壓MOSFET導(dǎo)通電阻的思路。增加管芯面積雖能降低導(dǎo)通電阻，但成本的提高所付出的代價(jià)是商業(yè)品所不允許的。引人少數(shù)載流子導(dǎo)電雖能降低導(dǎo)通壓降，但付出的代價(jià)是開關(guān)速度的降低并出現(xiàn)拖尾電流，開關(guān)損耗增加，失去了MOSFET高速的優(yōu)點(diǎn)。以上兩種辦法不能降低高壓 MOSFET的導(dǎo)通電阻，所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區(qū)域和導(dǎo)電通道的高摻雜、低電阻率分開解決。如除導(dǎo)通時(shí)低摻雜的高耐壓外延層對(duì)導(dǎo)通電阻只能起增大作用外并無其他用途。這樣，是否可以將導(dǎo)電通道以高摻雜較低電阻率實(shí)現(xiàn)，而在 MOSFET關(guān)斷時(shí)，設(shè)法使這個(gè)通道以某種方式夾斷，使整個(gè)器件耐壓僅取決于低摻雜的N-外延層。基于這種思想，1988年INFINEON推出內(nèi)建橫向電場(chǎng)耐壓為600V的COOIMOS，使這一想法得以實(shí)現(xiàn)。內(nèi)建橫向電場(chǎng)的高壓 MOSFET的剖面結(jié)構(gòu)及高阻斷電壓低導(dǎo)通電阻的示意圖如圖 1-5 所示。

與常規(guī) MOSFET結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOSFET嵌人垂直P區(qū)將垂直導(dǎo)電區(qū)域的N區(qū)夾在中間，使MOSFET關(guān)斷時(shí)，垂直的P與N之問建立橫向電場(chǎng)，并且垂直導(dǎo)電區(qū)域的N雜濃度高于其外延區(qū)N-的摻雜濃度。

當(dāng)Ugs<Uth時(shí)，由于被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道不能形成，并且D、S間加正電壓使 MOSFET內(nèi)部PN結(jié)反偏形成耗盡層，并將垂直導(dǎo)電的N區(qū)耗盡。這個(gè)耗盡層具有縱向高阻斷電壓，如圖1-5(b)所示，這時(shí)器件的耐壓取決于P與N-的耐壓。因此N-的低摻雜、高電阻率是必須的。

當(dāng)Ugs>Uth時(shí)，被電場(chǎng)反型而產(chǎn)生的N型導(dǎo)電溝道形成。源極區(qū)的電子通過導(dǎo)電溝道進(jìn)人被耗盡的垂直的N區(qū)中和正電荷，從而恢復(fù)被耗盡的N型特性，因此導(dǎo)電溝道形成。由于垂直N區(qū)具有較低的電阻率，因而導(dǎo)通電阻較常規(guī) MOSFET將明顯降低。

通過以上分析可以看到:阻斷電壓與導(dǎo)通電阻分別在不同的功能區(qū)域。將阻斷電壓與導(dǎo)通電阻功能分開，解決了阻斷電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾，同時(shí)也將阻斷時(shí)的表面PN結(jié)轉(zhuǎn)化為掩埋PN結(jié)，在相同的N-摻雜濃度時(shí)，阻斷電壓還可進(jìn)一步提高。

內(nèi)建橫向電場(chǎng) MOSFET的主要特性

(1)導(dǎo)通電阻的降低。INFINEON的內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規(guī)MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下降到常規(guī)MOSFET的115、1/10;相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通電壓分別從12.6V、19.1V下降到6.07V、7.5V;導(dǎo)通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對(duì)較涼，故稱 COOLMOS。

(2)封裝的減小和熱阻的降低。相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和 1/4，使封裝減小兩個(gè)管殼規(guī)格，如表1-2所示。

由于COOLMOS管芯厚度儀僅為常規(guī)MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規(guī)1℃/W降到0.6℃/W;額定功率從125W上升到208W，使管芯散熱能力提高。

(3)開關(guān)特性的改善。COOLMOS的柵極電荷與開關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于Qc(柵電荷)，特別是 Qcd(柵漏電荷)的減少，使COOLMOS的開關(guān)時(shí)間約為常規(guī) MOSFET的1/2;開關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時(shí)間的下降也與COOLMOS內(nèi)部低柵極電阻(<1Ω)有關(guān)。

(4)抗雪崩擊穿能力與SCSOA。目前，新型的MOSFET無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流下，COOLMOS的Ias與Id(25℃)相同。但由于管芯面積的減小，Ias小于常規(guī)MOSFET，而具有相同管芯面積時(shí)，Ias和Eas則均大于常規(guī)MOSFET。

COOLMOS的最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區(qū)(SCSOA)，而常規(guī)MOS不具備這個(gè)特性。COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉(zhuǎn)移特性如圖1-6所示。從圖1-6可以看到，當(dāng)Ucs>8V時(shí)，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時(shí)，恒流值下降，在最高結(jié)溫時(shí)，約為Id(25℃)的2倍，即正常工作電流的3~3.5倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會(huì)因柵極的15V驅(qū)動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的Id(25℃)，使COOLMOS在短路時(shí)所耗散的功率限制在 350Vx2Id(25℃)，盡可能地減少短路時(shí)管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因此，COOLMOS可在正常柵極電壓驅(qū)動(dòng)，在0.6Vdss電源電壓下承受10ms短路沖擊，時(shí)問間隔大于1s，1000次不損壞，使COOLMOS可像IGBT-樣，在短路時(shí)得到有效的保護(hù)。

關(guān)于內(nèi)建橫向電場(chǎng)高壓 MOSFET發(fā)展現(xiàn)狀

繼INFINEON1988年推出COOLMOS后，2000年初ST推出500V類似于COOLMOS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使500V，12A的MOSFET可封裝在T0-220管殼內(nèi)，導(dǎo)通電阻為0.35Ω，低于IRFP450的0.4Ω，電流額定值與IRFP450相近。IXYS也有使用COOLMOS技術(shù)的MOSFET。IR公司也推出了SUPPER220，SUPPER247封裝的超級(jí)MOSFET，額定電流分別為35、59A，導(dǎo)通電阻分別為0.0820.0450，150℃時(shí)導(dǎo)通壓降約4.7V。從綜合指標(biāo)看，這些MOSFET均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，并不是因?yàn)殡S管芯面積增加，導(dǎo)通電阻就成比例地下降。因此，可以認(rèn)為，以上的MOSFET一定存在類似橫向電場(chǎng)的特殊結(jié)構(gòu)，可以看到，設(shè)法降低高壓MOSFET的導(dǎo)通壓降已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并且必將推動(dòng)高壓 MOSFET的應(yīng)用。

COOLMOS與IGBT的比較

600、800V耐壓的COOLMOS的高溫導(dǎo)通壓降分別約6、7.5V，關(guān)斷損耗降低1/2，總損耗降低1/2以上，使總損耗為常規(guī)MOSFET的40%~50%。常規(guī)600V耐壓MOSFET導(dǎo)通損耗占總損耗約75%，對(duì)應(yīng)相同總損耗超高速IGBT的平衡點(diǎn)達(dá)160kHz，其中開關(guān)損耗占約75%。由于COOLMOS的總損耗降到常規(guī)MOSFET的40%~50%，對(duì)應(yīng)的IGBT損耗平衡頻率將由160kHZ降到約40kHZ，增加了 MOSFET在高壓中的應(yīng)用。

從以上討論可得出以下結(jié)論:新型高壓MOSFET使長(zhǎng)期困擾高壓MOSFET的導(dǎo)通壓降高的問題得到解決:可簡(jiǎn)化整機(jī)設(shè)計(jì)，如散熱器件體積可減少到原40%左右:驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路簡(jiǎn)化;具備抗雪崩擊穿能力和抗短路能力;簡(jiǎn)化保護(hù)電路并使整機(jī)可靠性得以提高。