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简介
用户对于节能与小尺寸的需求，正不断推动功率转换区块的发展。AC/DC 与 DC/DC 转换器拓朴的持续演进，也使得转换器的效率不断提升。功率 MOSFET 是功率转换器的核心组件，更是高效能设计的基本要素。MOSFET 设计的改善，让电路设计者可更有效提升产品层级之性能；切换频率和其它关键参数的增加，则可使转换器的运作更有效率。这些高性能 MOSFET 设计甚至也有助于让电路设计人员完成原本无法实现的电路修改。
为因应这些需求，英飞凌于 2006 年推出 OptiMOS™ 2 100V MOSFET [1]，成为此电压范围内首款以电荷补偿技术实现的功率 MOSFET ，相较于传统设计，不但大大降低了 导通电阻，同时也保留优越的切换特性。
OptiMOS 3 系列不但进一步改善了整体设计，并将此技术延伸至更高电压范围的产品。OptiMOS 3具有 150 V 至 250 V 电压范围内的最佳性能，并整合其他关键参数。新型产品具有低闸极电荷特性、高切换速度与绝佳的吸收突波耐受（avalanche ruggedness），适合各种切换式电源供应（SMPS）应用，包括电信与服务器应用所需的高效率 AC/DC SMPS 与 DC/DC 转换器、D 类放大器以及马达控制驱动器等等。
装置概念
功率 MOSFET 补偿原理的商用化，首见于1998年采用600V CoolMOS™ 技术的产品。相较于传统功率 MOSFET，之所以能大幅减少 RDS(on) x A，是由于使用位于 p 型柱状区的受体来补偿 n 型漂移区施体，如图 1 所示。
崩溃电压较低时，沟槽式电场板 MOSFET 是绝佳的选择。使用电场板可明显改善装置的性能。此装置由穿透大半 n 型漂移区的深沟槽所构成。经厚氧化层与 n 型漂移区隔离的绝缘源极电极做为电场板，并在阻断条件（blocking conditions）下提供用以平衡漂移区施体的流动电荷，如图 1 所示。标准 MOS 架构的垂直电场呈线性减少，且最大电场强度存在于基体/漂移区的 pn 接面。这类装置不会产生侧向电场。在电场版装置中，另存在一组侧向电场分量，故空间电荷区主要朝侧向扩张。因此，垂直电场分布几乎固定，而同一崩溃电压下所需漂移区长度则大幅减少。同时，还可增加漂移区域的掺杂浓度。此两技术均可大幅减少导通电阻。
扩充产品的高阻断能力
由于发展出全新省空间、高效率的边缘终止型新架构，让 OptiMOS 3 系列可延伸至高达 250V电压范围[3]。
结合终止型架构与电荷补偿技术，可获得极低的 RDS(on) 以及绝佳的优值系数 FOM = RDS(on) x QG。与现今性能次佳的竞争产品之比较如图 2所示，说明这些技术能够提升装置性能。结合这些技术优势，装置便可为广泛的系统需求提供优越的解决方案。在马达控制等高电流应用中，以 D²-Pak 与 TO-220 封装的最低奥姆装置可将传导损耗降到最低，且会减少系统中并行装置的数量。在高速切换应用中，极低的闸极－汲极电荷 QGD 与 FOMGD = RDS(on) x QGD 可减少切换损，并提升整体效率。因此，对于 DC/DC 转换器或 D 类放大器等应用，使用 SuperSO8 封装的装置为最佳选择。此外，极低的导通电阻 RDS(on) 通常也可使封装更小。TO-247 封装可由 TO-220 取代，而 D²-Pak 或 TO-220 则通常可由 SuperSO8 取代。综合以上优点，可获得极精巧、省空间的解决方案，并可大幅提升切换性能。
另一个重点为并行处理，特别是在马达控制等高电流应用中，要满足应用需求，最好使用完整的电源模块，可改善热管理并降低寄生电容，提升整体性能。在此，使用新一代的装置可明显减少装置数量。图 3 显示在电源模块中使用大型 OptiMOS 3 150 V 芯片进行并行处理的切换波形。此处的三相全桥式配置，是在一 DCB 基板上使用八个芯片并行处理，并将两个 DCB 并行。图 3 所示为 80 V 电源供应与 500 A 切换电流下，一相脚（phase leg）的切换运作。波形显示平滑的切换运作，断开期间的过冲电压在可接受范围内，未有任何问题。
选择适当的电源封装
随着硅晶技术不断进步，封装已成为低电压 MOSFET 中不可忽略的一部分。特别是封装电感会产生极大的损耗，并影响整体装置与应用性能。此外，最新装置技术的导通电阻已降至非常低，因此需使用低奥姆封装，以避免装置的性能因封装而受限。
现今大多数厂商的 30 V 技术已可将 MOSFET 芯片以 TO-220 封装，但导通电组较封装电阻低。在封装电阻为 1 mOhm的条件下，市面上最新的 60 V 技术所产生的封装电阻约占 30% 以下，即使是 100 V 技术，封装电阻也可能占 20% 以上。因此，封装电阻明显限制了可实现的最低导通电阻。此外，在固定导通电阻的条件下，需使用较大的芯片，这也会增加闸极电荷并降低装置的切换速度。
图 4显示针对最普遍，且具最大芯片尺寸之低压 MOSFET 类别，其封装占整体装置电阻的比例。要实现更密集且更有效率的功率转换器设计，低压 MOSFET 必须使用如 SuperSO8、S3O8 或 DirectFET/CanPAK 等新型封装来取代含铅 SMD 或通孔装置。
想要评估断开时封装电感所产生的损耗，方式相当简单。举例来说，输出电流为 30 A，以 250 kHz 频率操作的降压转换器（buck-converter），使用 D-Pak 设计时会因 6 nH 的总封装电感而产生 0.7 W 的损耗。使用如 SuperSO8 的低电感封装时，电感值仅为 0.5 nH，而损耗则可降至 0.1 W 以下。较低的封装电感还有助于避免在高速瞬时下，因源极接脚电感而造成 MOSFET 非预期导通。
另一个与封装有关的重点为热散布，这可藉由改善标准封装或使用全新的封装类型来改善。如 图 5 所示，使用 7 接脚 D²Pak 来取代标准 D²Pak，即可避免热点并降低整体温度。SuperSO8 封装能带来更多优势。图 6 为 7 接脚 D²Pak 装置与内含相等主动式硅晶面积之 SuperSO8 装置的比较。除改善温度特性、缩小所占 PCB 面积外，SuperSO8 封装还提供了顶部冷却机制，让使用者可进一步改善性能。
总结
随着OptiMOS 3 200 V 与 250 V 装置的推出，英飞凌的产品线现已涵盖从 25 V 至 250 V 的完整电压范围。就静态与动态损耗而言，OptiMOS 3 在各电压范围中均为最顶级的技术，让用户可针对各种拓朴，设计出效率与功率密度均无可比拟的先进功率转换器。
参考文献
[1]R. Siemieniec, F. Hirler, A. Schlögl, M. Rösch, N. Soufi-Amlashi, J. Ropohl and U. Hiller. A new and rugged 100V power MOSFET, Proc. EPE-PEMC, 2006
[2]G. Deboy, M. März, J.-P. Stengl, H. Strack, J. Tihanyi and H. Weber. A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit line of silicon, Proc. IEDM, 683-685, 1998
[3]R. Siemieniec, F. Hirler and C. Geissler. Space-saving edge-termination structures for vertical charge compensation devices, Proc. EPE, 2009
用户对于节能与小尺寸的需求，正不断推动功率转换区块的发展。AC/DC 与 DC/DC 转换器拓朴的持续演进，也使得转换器的效率不断提升。功率 MOSFET 是功率转换器的核心组件，更是高效能设计的基本要素。MOSFET 设计的改善，让电路设计者可更有效提升产品层级之性能；切换频率和其它关键参数的增加，则可使转换器的运作更有效率。这些高性能 MOSFET 设计甚至也有助于让电路设计人员完成原本无法实现的电路修改。
为因应这些需求，英飞凌于 2006 年推出 OptiMOS™ 2 100V MOSFET [1]，成为此电压范围内首款以电荷补偿技术实现的功率 MOSFET ，相较于传统设计，不但大大降低了 导通电阻，同时也保留优越的切换特性。
OptiMOS 3 系列不但进一步改善了整体设计，并将此技术延伸至更高电压范围的产品。OptiMOS 3具有 150 V 至 250 V 电压范围内的最佳性能，并整合其他关键参数。新型产品具有低闸极电荷特性、高切换速度与绝佳的吸收突波耐受（avalanche ruggedness），适合各种切换式电源供应（SMPS）应用，包括电信与服务器应用所需的高效率 AC/DC SMPS 与 DC/DC 转换器、D 类放大器以及马达控制驱动器等等。
装置概念
功率 MOSFET 补偿原理的商用化，首见于1998年采用600V CoolMOS™ 技术的产品。相较于传统功率 MOSFET，之所以能大幅减少 RDS(on) x A，是由于使用位于 p 型柱状区的受体来补偿 n 型漂移区施体，如图 1 所示。
崩溃电压较低时，沟槽式电场板 MOSFET 是绝佳的选择。使用电场板可明显改善装置的性能。此装置由穿透大半 n 型漂移区的深沟槽所构成。经厚氧化层与 n 型漂移区隔离的绝缘源极电极做为电场板，并在阻断条件（blocking conditions）下提供用以平衡漂移区施体的流动电荷，如图 1 所示。标准 MOS 架构的垂直电场呈线性减少，且最大电场强度存在于基体/漂移区的 pn 接面。这类装置不会产生侧向电场。在电场版装置中，另存在一组侧向电场分量，故空间电荷区主要朝侧向扩张。因此，垂直电场分布几乎固定，而同一崩溃电压下所需漂移区长度则大幅减少。同时，还可增加漂移区域的掺杂浓度。此两技术均可大幅减少导通电阻。
扩充产品的高阻断能力
由于发展出全新省空间、高效率的边缘终止型新架构，让 OptiMOS 3 系列可延伸至高达 250V电压范围[3]。
结合终止型架构与电荷补偿技术，可获得极低的 RDS(on) 以及绝佳的优值系数 FOM = RDS(on) x QG。与现今性能次佳的竞争产品之比较如图 2所示，说明这些技术能够提升装置性能。结合这些技术优势，装置便可为广泛的系统需求提供优越的解决方案。在马达控制等高电流应用中，以 D²-Pak 与 TO-220 封装的最低奥姆装置可将传导损耗降到最低，且会减少系统中并行装置的数量。在高速切换应用中，极低的闸极－汲极电荷 QGD 与 FOMGD = RDS(on) x QGD 可减少切换损，并提升整体效率。因此，对于 DC/DC 转换器或 D 类放大器等应用，使用 SuperSO8 封装的装置为最佳选择。此外，极低的导通电阻 RDS(on) 通常也可使封装更小。TO-247 封装可由 TO-220 取代，而 D²-Pak 或 TO-220 则通常可由 SuperSO8 取代。综合以上优点，可获得极精巧、省空间的解决方案，并可大幅提升切换性能。
另一个重点为并行处理，特别是在马达控制等高电流应用中，要满足应用需求，最好使用完整的电源模块，可改善热管理并降低寄生电容，提升整体性能。在此，使用新一代的装置可明显减少装置数量。图 3 显示在电源模块中使用大型 OptiMOS 3 150 V 芯片进行并行处理的切换波形。此处的三相全桥式配置，是在一 DCB 基板上使用八个芯片并行处理，并将两个 DCB 并行。图 3 所示为 80 V 电源供应与 500 A 切换电流下，一相脚（phase leg）的切换运作。波形显示平滑的切换运作，断开期间的过冲电压在可接受范围内，未有任何问题。
选择适当的电源封装
随着硅晶技术不断进步，封装已成为低电压 MOSFET 中不可忽略的一部分。特别是封装电感会产生极大的损耗，并影响整体装置与应用性能。此外，最新装置技术的导通电阻已降至非常低，因此需使用低奥姆封装，以避免装置的性能因封装而受限。
现今大多数厂商的 30 V 技术已可将 MOSFET 芯片以 TO-220 封装，但导通电组较封装电阻低。在封装电阻为 1 mOhm的条件下，市面上最新的 60 V 技术所产生的封装电阻约占 30% 以下，即使是 100 V 技术，封装电阻也可能占 20% 以上。因此，封装电阻明显限制了可实现的最低导通电阻。此外，在固定导通电阻的条件下，需使用较大的芯片，这也会增加闸极电荷并降低装置的切换速度。
图 4显示针对最普遍，且具最大芯片尺寸之低压 MOSFET 类别，其封装占整体装置电阻的比例。要实现更密集且更有效率的功率转换器设计，低压 MOSFET 必须使用如 SuperSO8、S3O8 或 DirectFET/CanPAK 等新型封装来取代含铅 SMD 或通孔装置。
想要评估断开时封装电感所产生的损耗，方式相当简单。举例来说，输出电流为 30 A，以 250 kHz 频率操作的降压转换器（buck-converter），使用 D-Pak 设计时会因 6 nH 的总封装电感而产生 0.7 W 的损耗。使用如 SuperSO8 的低电感封装时，电感值仅为 0.5 nH，而损耗则可降至 0.1 W 以下。较低的封装电感还有助于避免在高速瞬时下，因源极接脚电感而造成 MOSFET 非预期导通。
另一个与封装有关的重点为热散布，这可藉由改善标准封装或使用全新的封装类型来改善。如 图 5 所示，使用 7 接脚 D²Pak 来取代标准 D²Pak，即可避免热点并降低整体温度。SuperSO8 封装能带来更多优势。图 6 为 7 接脚 D²Pak 装置与内含相等主动式硅晶面积之 SuperSO8 装置的比较。除改善温度特性、缩小所占 PCB 面积外，SuperSO8 封装还提供了顶部冷却机制，让使用者可进一步改善性能。
总结
随着OptiMOS 3 200 V 与 250 V 装置的推出，英飞凌的产品线现已涵盖从 25 V 至 250 V 的完整电压范围。就静态与动态损耗而言，OptiMOS 3 在各电压范围中均为最顶级的技术，让用户可针对各种拓朴，设计出效率与功率密度均无可比拟的先进功率转换器。
参考文献
[1]R. Siemieniec, F. Hirler, A. Schlögl, M. Rösch, N. Soufi-Amlashi, J. Ropohl and U. Hiller. A new and rugged 100V power MOSFET, Proc. EPE-PEMC, 2006
[2]G. Deboy, M. März, J.-P. Stengl, H. Strack, J. Tihanyi and H. Weber. A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit line of silicon, Proc. IEDM, 683-685, 1998
[3]R. Siemieniec, F. Hirler and C. Geissler. Space-saving edge-termination structures for vertical charge compensation devices, Proc. EPE, 2009
