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|高壓MOSFET的原理與性能分析

|高壓MOSFET的原理與性能分析

在功率半導體器件中 ， MOSFET以高速、低開關損耗、低驅動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 。 在低壓領域 ， MOSFET沒有競 爭對手 ， 但隨著MOS的耐壓提高 ， 導通電阻隨之以2.4-2.6次方增長 ， 其增長速度使MOSFET制造者和應用者不得不以數十倍的幅度降低額定電流 ， 以 折中額定電流、導通電阻和成本之間的矛盾 。 即便如此 ， 高壓MOSFET在額定結溫下的導通電阻產生的導通壓降仍居高不下 ， 耐壓500V以上的MOSFET的額定結溫、額定電流條件下的導通電壓很高 ， 耐壓800V以上的導通電壓高得驚人 ， 導通損耗占MOSFET總損耗的2/3-4/5 ， 使應用受到極大限制 。
1、降低高壓MOSFET導通電阻的原理與方法
（1）不同耐壓的MOSFET的導通電阻分布
不同耐壓的MOSFET ， 其導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 總導通電阻的29% ， 耐壓600V的MOSFET的外延層電阻則是總導通電阻的96.5% 。 由此可以推斷耐壓800V的MOSFET的導通電阻將幾乎被外 延層電阻占據 。 欲獲得高阻斷電壓 ， 就必須采用高電阻率的外延層 ， 并增厚 。 這就是常規高壓MOSFET結構所導致的高導通電阻的根本原因 。
（2）降低高壓MOSFET導通電阻的思路
增加管芯面積雖能降低導通電阻 ， 但成本的提高所付出的代價是商業品所不允許的 。 引入少數載流子導電雖能降低導通壓降 ， 但付出的代價是開關速度的降低并出現拖尾電流 ， 開關損耗增加 ， 失去了MOSFET的高速的優點 。
【|高壓MOSFET的原理與性能分析】以上兩種辦法不能降低高壓MOSFET的導通電阻 ， 所剩的思路就是如何將阻斷高電壓的低摻雜、高電阻率區域和導電通道的高摻雜、低電阻率分開解決 。 如除 導通時低摻雜的高耐壓外延層對導通電阻只能起增大作用外并無其他用途 。 這樣 ， 是否可以將導電通道以高摻雜較低電阻率實現 ， 而在MOSFET關斷時 ， 設法使 這個通道以某種方式夾斷 ， 使整個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推出內建橫向電場耐壓為600V的COOLMOS ， 使這一想法得以實現 。

2、內建橫向電場MOSFET的主要特性
（1）導通電阻的降低
INFINEON的內建橫向電場的MOSFET ， 耐壓600V和800V ， 與常規MOSFET器件相比 ， 相同的管芯面積 ， 導通電阻分別下 降到常規MOSFET的1/5 ， 1/10；相同的額定電流 ， 導通電阻分別下降到1/2和約1/3 。 在額定結溫、額定電流條件下 ， 導通電壓分別從12.6V ， 19.1V下降到6.07V ， 7.5V；導通損耗下降到常規MOSFET的1/2和1/3 。 由于導通損耗的降低 ， 發熱減少 ， 器件相對較涼 ， 故稱COOLMOS 。
（2）的減小和熱阻的降低
相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規MOSFET減小到1/3和1/4 ， 使封裝減小兩個管殼規格 。
由于COOLMOS管芯厚度僅為常規MOSFET的1/3 ， 使TO-220封裝RTHJC從常規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）開關特性的改善
COOLMOS的柵極電荷與開關參數均優于常規MOSFET ， 很明顯 ， 由于QG ， 特別是QGD的減少 ， 使COOLMOS的開關時間約為常 規MOSFET的1/2；開關損耗降低約50% 。 關斷時間的下降也與COOLMOS內部低柵極電阻(＜1Ω＝有關 。
（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ID25℃相同 。 但由于管芯面積的減小 ， IAS小于常規MOSFET ， 而具有相同管芯面積時 ， IAS和EAS則均大于常規MOSFET 。

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