功率MOSFET性能不断改进,开辟汽车应用新领域

作者:郑卫锋

为了取得更大的市场份额,功率MOSFET厂商们不断寻求办法以提高单元密度,进而提高产品的性能。衡量MOSFET最基本的指标是器件的导通阻抗(RDS)和栅极电荷(QG),目前这些指标已经远远超过一两年前的水平。与此同时,新型MOSFET还陆续应用于苛刻的汽车应用中,而且这种应用趋势正在逐渐加强。

由于全球市场的激烈竞争,各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新的设计、改进新的工艺、开发新的产品,产品的更新换代几乎到了令人眼花缭乱的地步。尤其引人注目的是,功率MOSFET正逐渐成为低功耗转换应用中的最佳选择。在电源管理器件市场,MOSFET约占其整个销售收入的四分之一。市场调研公司isuppi的数据表明,今年全球MOSFET的销售额将达到45.11亿美元,而到2007年将达到62.5亿美元,年均增长率达到12.3%。此外,由于技术的进步,MOSFET的导通电阻和开关效率等关键性能指标得到显著提高,加之芯片尺寸的缩小和生产流程的简化,这种器件的成本也有所下降。基于以上因素,功率MOSFET在低电压或中电压应用领域正逐步取代传统的双极型功率晶体管。

展望未来,开关电源、马达控制、汽车电子和其它应用领域将会为MOSFET提供良好的发展机遇。为了提供更高性能,厂商们不断推出新一代功率MOSFET器件,或针对下一代交换机和DC/DC电信转换器应用的严格要求,或适应英特尔新一代处理器及通用DC/DC产品的要求,以及为了满足在汽车应用中提高车辆燃油效率、安全性和舒适度所作的设计改善。

“MOSFET每次的性能提升都需要数年时间。”国际整流器公司(IR)AC/DC转换器产品销售经理Bhasy Nair说。他说,这些MOSFET器件具有极佳的热性能、电气性能和工作效率,非常适用于下一代电信用DC/DC转换器。其中多数性能提升是通过改进封装实现的。

应用需求带动性能提升

从目前的市场情况可以看出,MOSFET主要应用于三个领域:低电压N沟道MOSFET用于负载点转换器；中档MOSFET用于42V汽车电路及类似的升压应用；而高压产品则主要用于大功率设备的脱机应用。各公司的产品研发仍以沟槽MOSFET(尤其是低电压产品)为主。过去两年中此类产品性能不断提升,甚至可与平面MOSFET相媲美。此前平面MOSFET因其开关速度快而占有优势。

例如,Vishay Siliconix公司的PowerPAK系列功率MOSFET产品可满足固定电信设备中负载点DC/DC转换器较高的系统功率要求。这些沟槽MOSFET采用SO-8封装,热阻抗较低,优化用于工作频率超过500kHz的DC/DC转换器,以及5V及3.3V分布式总线结构中的低压降压应用,如最近宣布推出的三款分别采用SO-8、PowerPAK(r) SO-8及D2PAK封装的250V、N沟道TrenchFET(r)功率MOSFET分别针对电信供电、分布式架构及微型功率模块应用。该公司称,这三款产品在此额定电压下具有最低导通电阻。

该公司最近还宣布推出采用反向导引TO-252 DPAK封装的新型TrenchFET功率MOSFET系列产品。凭借反向成型的引线,采取“SUR”封装的TrenchFET能使该产品反向安装于PCB 上,即将散热器安装于顶部以产生更好的散热效果。由于功率应用产生的热量能散发到空气中而非PCB上,与采用传统引线的DPAK功率MOSFET相比,此类功率MOSFET具有更小的有效导通电阻以及更大的电流作业能力。该SUR功率MOSFET可用于桌面电脑的核心直流变直流转换应用,应用该SUR功率MOSFET后,VRM模块与PC主板可更有效地利用功率,而进一步减少所需的元件,使VRM模块与PC主板实现“超绿色”的设计。

意法半导体加大了在高性能电信应用方面的投资,推出了五款传导损耗低的新型StripFET III器件。为了获得更高的电流密度和更低的门电荷,这些器件用改变条状漏极的宽度来设置关键的器件参数,而不是原胞本身的源、漏、栅极。为了进一步提高转换性能,该公司还改进了MOSFET寄生二极管的反向恢复特性。该公司的STS25NH3LL工作电压为30V,导通电阻为2.7 mΩ,工作电流为25A,工作温度可高达175℃,据该公司称,这一器件在现有的低电压SO-8封装MOSFET中是最为先进的。

在大电压MOSFET领域和大型设备应用领域中,IR公司的TO-247封装600V K系列HEXFET平面功率MOSFET比早期产品的导通阻抗低45%,电流高75%。这种平面MOSFET设计用于电信及数据通信系统中功率为300W以上的脱机转换模式电源中的硬交换电路。该公司还针对相同应用提供500V的 K系列产品。这些产品的安全性稍差,不过成本更低且效率更高。IR称该公司的K系列MOSFET的dV/dt抗干扰性比上代产品提高了4倍。为了满足下一代电源更高的电流要求,这些MOSFET额定电流高达47A,而现有产品仅为20A。

飞兆半导体也推出了一系列大电压平面MOSFET新产品,并声称在雪崩和换向模式下比同类产品的导通阻抗和门电荷更低、能量密度更大。目前该公司可供应七种新产品:三款用于转换模式电源及功率因素校正应用的500V器件和四款用于DC/DC转换器的200V器件。200V产品还适用于转换和脉冲宽度控制应用。

安森美半导体也于去年推出几款新型N通道功率MOSFET,进一步拓展其开关和电源管理应用的低电压功率MOSFET产品系列。这些24/25伏器件专门针对服务器和台式电脑中的同步降压转换电路以及网络和电信设备中的负载点转换器而设计。

该公司表示,安森美半导体独有的沟槽处理技术实现了业界最高的通道密度,在给定的封装占位面积下具有极佳的导通电阻性能。例如,安森美半导体将生产的ChipFET封装(1.8mm×3.3mm)8伏P型通道和20伏P型通道产品的导通电阻分别为19mΩ和21mΩ。与目前相同封装尺寸的产品相比,在4.5伏栅极电压下这些电阻值平均改进了40%。

倾力打造新品着眼汽车应用

新型MOSFET还可用于苛刻的汽车应用中,而且这种应用趋势正在逐渐加强。随着人们对驾驶室功能的需求不断增加,以及大型汽车对发动机的功率连同行驶里程的需求不断上升,新型低阻抗功率MOSFET遂应运而生,可实现汽车从传统的发电系统和液压系统到电子系统的转移。全新的低导通电子功率MOSFET是提高各系统效率的关键元素,以更轻巧、高效的系统替代旧式的沉重系统,从而提供更多功能和提升车辆的整体安全性。

汽车行业对电气和环境要求十分严格,用于该领域的功率MOSFET经过许多了技术革新。例如,Vishay Siliconix推出了7款温度及电流敏感的TrechFET,其中一款Sum系列产品被称为业界首个75V MOSFET,它保持了马达和电子管驱动、门模块和12或42V系统的工作参数。 该MOSFET具有的保护功能可在马达过热、停转或短路时将其关断。该系列产品中有5款可进行温度检测,2款可进行电流检测。这些MOSFET采用增强型D2PAK封装,并使用了lead-frame专利技术,热阻抗极低。目前可提供样品和批量产品,大订单的交货期为10-12周。购买批量为10万只时,30-75Vds N沟道器件及30-55V P沟道器件的单价为72美分到2.14美元不等。

此外,飞兆半导体公司推出了三款新型60V N沟道MOSFET用于大电流汽车应用,如马达/车身负载控制、刹车系统、传动管理及加油系统。该公司还推出了首批60V的中压(60-150V)PowerTrech器件,包括FDB035AN06A0、FDP038AN06A0和FDD10AN06A0,主要面向汽车应用。该系列MOSFET产品符合“汽车电子委员会”发布的分立半导体器件可靠性认可测试步骤AEC-Q101标准,该公司称这些产品在业内同类封装产品中具有最低的导通电阻。这些器件门电荷极低,适用于低驱动、低功率应用。例如,TO-263封装的FDB035AN06A0门电荷为124nC,室温下最大导通电阻为3.5 mΩ。购买批量为1,000只时, FDB035AN06A0和FDP038AN06A0单价为3.8美元,FDD10AN06A0单价为1.32美元。

此外,该公司还推出四款30V、N沟道PowerTrench(r) MOSFET,在小尺寸封装中提供高效率和耐用性,能满足今日最具挑战性和讲究空间应用的汽车应用要求。新型FDD044AN03L、FDU044AN03L、FDD068AN03L和 FDU068AN03L备有D-PAK和I-PAK两种封装选项,适用于表面安装或通孔安装设计。在最大3.9mΩ(VGS = 10V) 条件下具有较高的功率密度和较小的封装尺寸,FDD044AN03L和FDU044AN03L分别采用TO-252 (D-PAK) 和 TO-251 (I-PAK) 封装方式,能在30V下提供最低的导通电阻 。 这四款MOSFET器件均符合AEC-Q101标准,典型应用包括:用于防锁定刹车系统 (ABS)、雨刮、HVAC风扇、座椅调整以及车窗开关等的电机控制。

除电机控制外,这些产品还可用于各种体负载控制应用。以上四款器件批量在1000个以上的单价分别为:1.36美元、1.36美元、0.93美元、0.93美元。现货供应,可于接到定单后8周内交货。飞兆半导体分立汽车产品市场总监Steve Ahrens称:“这些新型30V MOSFET性能卓越,可在小至D-PAK的封装中提供低至3.9 mΩ的导通电阻。除了协助用户满足对汽车电子解决方案日益增长的空间需求外,这些产品还通过提供低导通电阻和优良的耐用性,为电机控制应用提供高性能。”