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电源技术中的基于MOSFET在电源转换领域中的设计与应用
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2020-10-22
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自1976年开发出功率MOSFET以来,由于半导体工艺技术的发展,它的性能不断提高:如高压功率MOSFET其工作电压可达1000V;低导通电阻MOSFET其阻值仅lOmΩ;工作频率范围从直流到达数兆赫;保护措施越来越完善;并开发出各种贴片式功率MOSFET(如Siliconix最近开发的厚度为1.5mm"Little Foot系列)。另外,价格也不断降低,使应用越来越广泛,不少地方取代双极型晶体管。 多年来许多制造商持续推出了许多代功率MOSFET产品。30年多来,基准基本上每年都会更新。至写这篇文章时,100V基准公认为是英飞凌的IPB025N10N3G所保持。与IRF100的4Ω–mm
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电源技术中的基于电源技术中的基于MOSFET在电源转换领域中的设计与应用在电源转换领域中的设计与应用
自1976年开发出功率MOSFET以来,由于半导体工艺技术的发展,它的性能不断提高:如高压功率MOSFET其
工作电压可达1000V;低导通电阻MOSFET其阻值仅lOmΩ;工作频率范围从直流到达数兆赫;保护措施越来越完
善;并开发出各种贴片式功率MOSFET(如Siliconix最近开发的厚度为1.5mm"Little Foot系列)。另外,价格也
不断降低,使应用越来越广泛,不少地方取代双极型晶体管。 多年来许多制造商持续推出了许多代功率
MOSFET产品。30年多来,基准基本上每年都会更新。至写这篇文章时,100V基准公认为是英飞凌的
IPB025N10N3G所保持。与IRF100的4Ω–mm
自1976年开发出功率MOSFET以来,由于半导体工艺技术的发展,它的性能不断提高:如高压功率MOSFET其工作电压
可达1000V;低导通电阻MOSFET其阻值仅lOmΩ;工作频率范围从直流到达数兆赫;保护措施越来越完善;并开发出各种贴片
式功率MOSFET(如Siliconix最近开发的厚度为1.5mm"Little Foot系列)。另外,价格也不断降低,使应用越来越广泛,不少
地方取代双极型晶体管。
多年来许多制造商持续推出了许多代功率MOSFET产品。30年多来,基准基本上每年都会更新。至写这篇文章时,100V
基准公认为是英飞凌的IPB025N10N3G所保持。与IRF100的4Ω–mm2品质因数(FOM)相比(1),IPB025N10N3G的FOM
不到0.1Ω–mm2.这个值几乎已经达到硅器件的理论极限(2)。
不过改进仍在持续。例如,CoolMOS器件和IGBT的导通性能已经超过了简单垂直型多数载流子MOSFET的理论极限。这
些创新在相当长一段时间内可能还会继续,并且会充分利用功率MOSFET的低成本结构和训练有素的设计师,而这些设计师
经过多年实践后已经学会如何有效发掘电源转换电路和系统的性能。
开启 开启GaN新时代新时代
HEMT(高电迁移率晶体管)GaN晶体管最早出现于2004年左右,当时日本的Eudyna公司推出了一种耗尽型射频晶体
管。通过在碳化硅基板上使用GaN,Eudyna公司成功生产出为射频市场设计的晶体管(3)。HEMT结构基于的是1975年最先
由T Mimura et al (4)描述,并且在1994年再次由M. A. Khan et al (5)描述的一种现象,这种现象展示了接近AlGaN和
GaN异质结构界面之间接口处异常高的电迁移率。2005年,Nitronex公司推出第一种耗尽型射频HEMT晶体管,这种晶体管利
用硅基上生成的GaN(6)晶圆制造,采用的是公司自己的SIGANTIC?技术(7)。
随着另外几家公司参与市场,GaN射频晶体管在射频应用领域继续阔步前进。但这个市场之外的接受性非常有限,主要
原因是器件成本和耗尽型操作的不方便。
于2009年6月,宜普公司推出了首款增强型硅基GaN功率晶体管,这种晶体管专门设计用于替代功率MOSFET.这些产品
可以使用标准硅制造技术和设备低成本地大批量生产, 其结构比较简单,见图1.
图1:硅基GaN器件具有与横向型DMOS器件类似的非常简单结构,可以在标准CMOS代工厂制造。
突破屏障 突破屏障
30年的硅功率MOSFET历史告诉我们,控制突破性技术的普及率有四大关键因素:
1.这种技术能否支持重大的新功能?
2.这种技术是否容易使用?
3.这种技术对用户来说是否极具成本效益?
4.这种技术是否可靠?
在接下来的章节中我们将根据上述四条准则展开讨论能够替代主流硅功率MOSFET的硅基板GaN功率晶体管之现状。然
后我们会进一步了解GaN的近期开发计划,并预测它们对电源转换行业的影响。
GaN功率晶体管支持的新功能功率晶体管支持的新功能
增强型GaN HEMT器件能支持的最大新功能是开关性能和整个器件带宽的突破性改善(见图2)。GaN拥有比硅高得多的
关键电场,因此这种新器件的漏极至源极之间可以承受高得多的电压,而对导通电阻的负面影响却很小。
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weixin_38501826
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