Application Note 500V CoolMOS™ CE Traditional Chinese

應用手冊 AN 20YY-MM
V1.0 2012 年 4 月
500V CoolMOS™ CE
適合消費產品與照明應用的 500V 超接面 MOSFET
IFAT PMM APS SE SL
René Mente
Francesco Di Domenico
500V CoolMOS™ CE
應用手冊 AN 2012-04
V1.0 2012 年 4 月
版本 2011-02-02
奧地利英飛凌科技出版 9500 Villach, Austria
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AN 2012-04
改版記錄:日期 (12-04-20),V1.0
上一版本:無
主旨:第 1 版
作者: IFAT PMM APS SE SL
René Mente
Francesco Di Domenico
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2
500V CoolMOS™ CE
應用手冊 AN 2012-04
V1.0 2012 年 4 月
目錄
1 簡介................................................................................................................................................................ 4
1.1
功能及優點 ......................................................................................................................................... 4
1.2
應用(目標市場) .............................................................................................................................. 5
2 超接面 (SJ) 原則 ............................................................................................................................................ 5
2.1
一般說明 ............................................................................................................................................. 5
2.2
500V CE 的超接面優點 ...................................................................................................................... 7
2.2.1 切換速度 ......................................................................................................................................... 7
2.2.2 雙極接面電晶體 (BJT) 效應 ............................................................................................................ 9
3 技術參數 ......................................................................................................................................................11
3.1
閘極電荷 (Qg) ...................................................................................................................................11
3.2
輸出電容的儲存電力 (Eoss) ...............................................................................................................12
4 測量結果 ......................................................................................................................................................13
4.1
CCM PFC 的效率 .............................................................................................................................13
4.2
導通本體二極體的硬式整流 ..............................................................................................................15
5 使用 500V CE 的設計指南 ...........................................................................................................................16
5.1
最小外部閘極電阻 (RG,ext).................................................................................................................16
5.2
保護模式後的安全操作 .....................................................................................................................17
6 產品組合 ......................................................................................................................................................19
7 參考資料 ......................................................................................................................................................20
3
500V CoolMOS™ CE
1
應用手冊 AN 2012-04
V1.0 2012 年 4 月
簡介
™
全新 CoolMOS CE 為英飛凌領先業界之高電壓功率 MOSFET 的第四代技術平台,是根據在 500V 等級中的
革命性超接面 (SJ) 原則設計而成。500V CE 產品組合可提供快速切換超接面 (SJ) MOSFET 的所有優點,同
時保有容易使用和建置的特性。此完整 CE 系列 MOSFET 能將導通損耗和切換損耗降到最低,讓應用更有效
率、體積更小、重量更輕且冷卻效果更佳。
本應用手冊將敘述 SJ MOSFET 和標準型 MOSFET 間的基本差異,並敘述影響目標應用的所有功
能及優點。此外,所有功能將同時從理論觀點和硬體測量兩方面來加以描述,並且也將說明
CoolMOS™ CE 是較標準型 MOSFET 更具成本效益的替代選擇,可提升能源效率,同時提供極為吸
引人的性價比。
1.1
功能及優點
™
下表說明 CoolMOS CE 相較於標準型 MOSFET 的功能及優點,稍後將於本應用手冊的主要內容中深入討論
。
表 1:功能及優點
功能
優點
降低輸出電容的儲存電力 (Eoss)
降低切換損耗,提升輕負載效率
高度耐用的本體二極體
在嚴苛的操作條件下具備更高的可靠性
降低逆復原電荷 (Qrr)
在諧振拓樸中不易產生硬式整流
降低閘極電荷 (Qg)
提升輕負載效率
減少必要的閘極驅動功能
整體功能
輕鬆控制切換運作
™
以深獲肯定的 CoolMOS
眾的可靠性
4
品質提供出
500V CoolMOS™ CE
1.2
應用手冊 AN 2012-04
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應用(目標市場)
下表說明新型 MOSFET 的目標應用及拓樸。
表 2:目標應用及拓樸
應用
PC Silverbox
PFC
PWM
升壓級
TTF
LLC
LCD/LED/PDP TV
升壓級
LLC
遊戲
升壓級
TTF
LLC
照明
升壓級
LLC
500V CE 與目標應用及拓樸有關的所有功能及優點,將於第 4 節中分析。下一節將敘述 SJ MOSFET 和標準
型 MOSFET 間的差異。
2
超接面 (SJ) 原則
過去,消費市場一直都是由標準型 MOSFET 所主導。因此,本手冊加入此章來說明 SJ MOSFET 的差異。
2.1
一般說明
™
「所有 CoolMOS 系列產品皆以超接面原則為基礎,是一種適合高電壓功率 MOSFET 的革命性技術 [1, 2],
英飛凌科技是全球首家將此概念應用到市場商品的公司 [4]。傳統功率 MOSFET 只能單自由度同時掌控導通電
阻和阻斷電壓,超接面原則則支援雙自由度來進行此作業。因此,傳統 MOSFET 會受到矽的限制,此障礙在
特定電壓等級時會影響最佳摻雜分布,此限制線的理論根據已由 Chen 及 Hu 在 80 年代末期提出 [3]。沒有任
何商業產品的導通電阻優於矽的限制線。」 [5] 圖 1 說明區域特定導通電阻與崩潰電壓的關係。
5
Area specific resistance [Ω*mm2]
500V CoolMOS™ CE
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40.00
30.00
20.00
State-of the-art
conventional MOS
10.00
"Silicon limit"
CoolMOSTM
0.00
500
600
700
800
900
1000
Blocking voltage [V]
™
圖 1:標準型 MOSFET 及 CoolMOS 技術之區域特定導通電阻與崩潰電壓的關係比較 [6]
「相反地,超接面原則可將高電壓 MOSFET 的導通電阻降至幾乎為零,僅受限於技術效能及製造能力。」 [5]
「基本概念很簡單:我們不讓電子通過阻力極高(高電壓阻斷)的 n 區,而是通過摻雜度極高的 n 區,藉此
提供極低的導通電阻。SJ 技術的重點在於讓晶片阻斷本身的最高電壓,此需要透過相鄰放置深度 p 柱來仔細
平衡額外的 n 電荷,此 p 柱是垂直穿過 nepi 到靠近底部 n+的接觸面 。此為製造能力所及之處,因為裝置內的
電荷必須在量產產線的控制之下,獲得精確的補償。 」 [5] 圖 2 顯示標準 MOSFET(左)及 SJ MOSFET
(右)的剖面圖。
6
500V CoolMOS™ CE
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圖 2:標準型 MOSFET(左)及 SJ MOSFET(右)的剖面圖 [5]
「SJ 原理為我們提供創造標竿產品的機會,這是在此之前採用如 TO-220 封裝的 100 mΩ/600V 零件所無法達
成的,同時還能為零件在特定的 RDS(on) 提供極低的電容,因為矽晶片的尺寸要比傳統功率 MOSFET 小很多
。輸出電容的輸入和高電壓位準會同時且直接隨晶片大小而增減,而逆向電容以及就某種程度上的輸出電容之
低電壓位準則必須依賴技術。所有超接面裝置的特性具有強烈的非線性輸出電容,在低電壓時擁有較高的值,
在高電壓時擁有較低的值。若您想成輸出電容與阻斷 pn 接面的區域成比例,而逆向電容與空間電荷層(或電
壓承受區域)的寬度成比例,就可以很容易瞭解此運作。在低電壓時,p 柱不會耗盡且會形成極大的表面,同
時空間電荷層的寬度會變得極為狹窄(圖 2 中的白色區域)。但是在高電壓時,p 柱會完全耗盡,空間電荷層
會到達約 45μm 的最大範圍供 600V 裝置使用。重要的是,非線性輸出電容可支援零電壓切換準諧振(ZVS) 關
閉裝置,可降低 turn-off 損耗。超接面裝置具有快速切換的本質。極小電容和低閘極電荷讓上升和下降時間在
幾毫微秒內即可完成。」 [5] 有關超接面裝置的詳細資訊,請至 www.infineon.com 參閱「Mastering the Art of
Slowness」一文。
2.2
500V CE 的超接面優點
第 2.1 章說明 SJ MOSFET 相較於標準型 MOSFET 的一般特性。現在,問題來了:「500V CE 有何優點?」
本應用手冊將敘述其中兩個最重要的因素,從切換速度開始談起。
2.2.1 切換速度
如一般說明中所述,切換速度獲得大幅提升,這是因為相較於標準型 MOSFET,SJ MOSFET 的寄生電容較
低。SJ MOSFET 的輸入及輸出電容值僅一半,因此具備降低切換損耗和驅動損耗的優點。圖 3 以簡圖說明這
些寄生電容(紅色圓圈)。
7
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圖 3:簡化的小訊號 MOSFET 等效電路
因為 500V CE 之 Eon 和 Eoff 的電容縮減僅約標準 MOSFET 的一半。再者,此電容縮減也會降低閘極電荷 Qg
,因此具有降低驅動損耗的優點,並且能夠使用閘極驅動能力較低的低價驅動器。圖 4 說明 500V CE
(280mOhm) 與類似標準 MOSFET 的電容比較。
Capacitances
IPA50R280CE vs. Standard MOSFET
10000
Ciss, Coss, Crss [pF]
1000
IPA50R280CE Ciss
IPA50R280CE Coss
100
IPA50R280CE Crss
standard MOS Ciss
standard MOS Coss
standard MOS Crss
10
1
0
100
200
300
400
500
VDS [V]
圖 4:500V CE 與標準型 MOSFET 的電容比較
8
500V CoolMOS™ CE
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「所有超接面裝置的基本特性,在於輸出和逆向電容皆具有強烈的非線性。超接面電容的非線性特性,實際上
來自於 p 及 n 柱在特定電壓(其範圍一般為 1/10 額定阻斷電壓)下相互消耗,進而導致空間電荷層在整個結
構之間快速擴展。此意謂,500V 額定裝置的電壓超出 50V 時,輸出和逆向電容僅會到達些許 pF 的最小值,
若負載電流可於關閉期間完全轉移至輸出電容,將導致 dv/dt 超出 100V/ns,且 di/dt 為數千 A/μs。輸出電容
會充電至匯流排電壓的等級,此時電壓會依下列公式上升:
(1)
因此,電壓上升會與負載電流 Iload 成正比,與輸出電容 Coss 的值成反比。由於減少的 Coss 有助於更高的電壓
,因此在到達匯流排電壓之前,會迅速到達最高的 dv/dt。對應的 di/dt 主要受限於封裝和 PCB 線路的電感值
。現在,透過此方式關閉裝置將能獲得最高效率,因為可將發生的切換損耗有效降低至輸出電容的儲存電力等
級。」 [7]
上述所有優點在效率成果中將可明顯看出,此部分將於第 4 章敘述。第二項差異就是所謂的雙極接面電晶體效
應 (BJT-Effect)。
2.2.2 雙極接面電晶體 (BJT) 效應
若本體二極體正向導通,殘留在基極區上的少數載子 (minority carrier) 在二極體回復期間,會產生具破壞性結
果的 BJT 動作(高電壓作用時的汲極源極短路)。
如何才能觸發雙極接面電晶體效應?以下將逐步說明:
在零電壓切換拓樸中,正向電流 (ISD) 會被迫進入本體
二極體來箝制輸出到正端或負端,接著電流將轉向成汲
極到源極。此正向電流會同時讓 p 摻雜本體(電子)
和 nepi 區(電洞)產生少數載子。
9
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MOSFET 通道為 ON 並將部分電流經由通道轉離本體二極
體,其仍為正向導通(MOSFET 可雙向導通電流)。 此流經
本體二極體的較低電流可減少產生少數載子,但無法阻止產
生。
外部電路經由裝置逆轉電流 -> 少量逆電流流入本體二極體(
量少是因為流入低電阻通道的極低電流產生極微弱的電壓,特
別是在輕負載運作時)。部分少數載子將自 p-n 接面移除但並
非全部,這是因為有關本質載子生命期的導通時期短暫。
若 MOSFET 完全為 ON,電流將完全被轉移至通道,但若本
體二極體中仍有少數載子而 MOSFET 為 OFF 時,則會出現下
列狀況:MOSFET 將開始阻斷電壓,以高 dv/dt 為本體二極體
施加更高的逆向電壓,本體二極體的高逆向電壓應用,將快速
驅趕整個接面的殘留載子。nepi 區的少數載子會被驅趕至 p+
本體。-> 若此電流(流入 RB,如圖 5 所示)的電量強度足夠
啟動本質雙極電晶體,將發生第二次破壞以毀損 MOSFET。
在傳統 MOSFET 中,由逆向回復電荷提供的電洞流在到達閘極電極下方之裝置的上端之前,會橫向流入 p 摻
雜區通過 n 區下方的區域:故此電流會流經整個寄生雙極結構的 RB,進而可能產生正向偏壓的 npn 接面及後
繼觸發寄生 BJT。
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500V CoolMOS™ CE
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圖 5:雙極接面電晶體效應
™
如圖 5(右邊)所示,在 CoolMOS 中,電洞流在到達金屬接點之前,會向上流經 p 柱,但是沒有横向電流
順利通過 p 摻雜,因此沒有電流會流經 RB,將觸發雙極接面電晶體效應的機會降至趨近於零。
截至目前為止,本文已討論過 SJ MOSFET 的基礎,後續將說明技術參數及其對特定拓樸之應用的影響。
3
技術參數
3.1
閘極電荷 (Qg)
最重要的改善之一是減少 Qg,因降低驅動損耗而帶來效益,特別是在輕載狀況時。一般而言,在整個
RDS(on) 範圍,500V CE 相較於同級標準型 MOSFET 可減少約 40% 的 Qg。圖 6 顯示 RDS(on),max 期間,
範圍從 190mΩ 到 950mΩ,500V CE 與標準型 MOSFET 的 Qg [nc] 比較,。
11
500V CoolMOS™ CE
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500V CE vs. Standard MOS
typical Qg * RDS(on),max [nC*Ω]
350
300
Qg [nC]
250
200
500V CE
150
standard MOS
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
RDS(on),max [mΩ]
圖 6:500V CE 與標準型 MOSFET 的 Qg 比較
3.2
輸出電容的儲存電力 (Eoss)
降低輸出電容的儲存電力是硬式切換拓樸最重要的差異,但是它仍會影響諧振拓樸的切換損耗,通常可選擇零
電壓切換 (ZVS) 或零電流切換 (ZCS),此兩種情況皆可能消除 turn-on 損耗 (ZVS) 或 turn-off 損耗 (ZCS),但
無法同時在此兩種操作模式中進行。一般來說,ZVS 操作比較適合 MOSFET,這是因為輸出電容通常對 turnon 損耗的貢獻較重要(若為硬式切換)。因此,部分切換損耗仍一直作用,Eoss 降低則會減少這些切換損耗
。圖 7 說明 500mΩ 裝置之 500V CE 與相對應的標準型 MOSFET 間的 Eoss 比較΅。
12
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IPP50R500CE vs. Standard MOS
EOSS comparison of 500mOhm devices
10
9
8
IPP50R500CE
EOSS [µJ]
7
6
standard MOS
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
VDS [V]
圖 7:500V CE 與標準型 MOSFET 的 Eoss 比較
Eoss 損耗與輸出電容成正比,為 MOSFET 之汲極到源極電壓的函數。在此情況中,可明顯看出 Coss 降低的影
響。此影響的另一項優點為在諧振拓樸中提供更快的 VDS 轉換時間,意謂著可減少諧振電感和迴流電流損耗,
這是因為能夠以較低的電流完全將 Coss 放電。
4
測量結果
為了證明前述技術參數的影響,本節將敘述一些測量方法,首先是比較 CCM PFC 的效率,其為在硬式切換中
驗證新型 MOSFET 的最適合拓樸之一。
4.1
CCM PFC 的效率
此測量以 500V CE 與相對應的標準型 MOSFET 進行比較,範圍為 280mΩ[ RDS(on)。
設定參數:
 CCM PFC
 Vin=90VAC
 Vout=400VDC
 Pout=0W 至 400W
 頻率 =100kHz
 RG,ext=5ΩΩ
 環境溫度 25°C
 散熱片溫度預熱至 60°C
 500V CE 與標準型 MOSFET 之間的直接替換
13
500V CoolMOS™ CE
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圖 8:500V CE 與標準型 MOSFET 在絕對效率(上圖)與 delta 效率(下圖)的比較
此直接替換測量顯示 SJ MOSFET 與標準型 MOSFET 的優點比較。在輕載狀況 (~40W)。由於 Qg 降低,因此
可看見輕負載運作的效率 (~40W) 出現 0.9% 以上的差異。在整個負載範圍期間,IPP50R280CE 的平均效率
較直接替換標準型 MOSFET 高 0.4%,也可看見較低 Eon 和 Eoff 的影響。
圖 9 說明於 RG,ext 期間,在不同汲極電流 (ID) 和測試環境溫度 (TC) 25°C 下,IPA50R500CE 與相對應的標準
型 MOSFET 的 Eon 和 Eoff 比較值。
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500V CoolMOS™ CE
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Eoff - IPA50R500CE vs. Standard MOSFET
Eon - IPA50R500CE vs. Standard MOSFET
ID=2.93A; TC=25°C
ID=2.93A; TC=25°C
14
12
Eon [µJ]
Eoff [µJ]
10
8
6
IPA50R500CE
4
standard MOSFET
2
0
0
5
10
15
20
RG,ext [Ω]
25
30
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
35
IPA50R500CE
standard MOSFET
0
5
10
15
20
RG,ext [Ω]
25
30
Eoff - IPA50R500CE vs. Standard MOSFET
Eon - IPA50R500CE vs. Standard MOSFET
ID=5.85A; TC=25°C
ID=5.85A; TC=25°C
30
35
40
35
25
30
Eon [µJ]
Eoff [µJ]
20
15
IPA50R500CE
10
20
15
IPA50R500CE
10
standard MOSFET
5
25
standard MOSFET
5
0
0
0
5
10
15
20
RG,ext [Ω]
25
30
35
0
5
10
15
20
RG,ext [Ω]
25
30
35
圖 9:EIPA50R500CE 與標準型 MOSFET 在 ID=2.93A(上圖)和 ID=5.85A(下圖)時的 Eon 及 Eoff 比較
圖片顯示 500V CE 的 Eon 和 Eoff 相當低,還可看見由於 Eoff 運作的差異,因此相較於標準型 MOSFET,對於
turn-off 損耗顯著的硬式切換 DCM 模式 PFC 和軟切換/諧振拓樸,可能降低其切換損耗。特別是在負載較高
時,可看見如降低 4Ω RG,ext,則可減少約 5μJ Eoff。
4.2
導通本體二極體的硬式整流
較高的切換速度也可能是缺點,舉例來說,高 di/dt 在導通本體二極體的硬式整流期間可能會激發高壓突波。
下圖說明此電壓突波在 2μs 本體二極體導通時間後的硬式整流時,與相對應的標準型 MOSFET 的比較(在正
常操作狀況下,不會發現超過 400ns 的本體二極體導通時間)。
15
500V CoolMOS™ CE
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IPP50R500CE vs. Standard MOS
hard commutation on conducting body diode; half bridge configuration;
high side MOS = low side MOS; same RG,sum=5Ω
VDS,max, maximum VDS due to high dIrr/dt [V]
500
490
480
470
460
450
IPP50R500CE
440
standard MOS
430
420
410
400
0
1
2
3
4
5
6
7
IF, forward current through body diode [A]
圖 10:導通本體二極體的硬式整流
圖 10 顯示,最大 VDS 的值低於或等於速度較低的標準型 MOS。換言之,500V CE 擁有與相對應的
標準型 MOSFET 相同甚至更好的運作,這是因為此 SJ MOSFET 系列具備自限的 dv/dt 運作。
上述兩項測量和技術參數顯示,500V CE 可為硬式切換拓樸和軟式切換拓樸帶來效益。
下一章將說明使用 SJ MOSFET 的重要設計指南。
5
使用 500V CE 的設計指南
5.1
最小外部閘極電阻 (RG,ext)
規格表中的規定為 RG,int(內部閘極電阻),但是建議使用電阻值高於 2Ω 的RG,ext(外部閘極電
阻)。
5.2
500V CE 的並聯
若要並聯 500V CE,一般建議在閘極上使用鐵氧磁珠 (ferrite bead) 或使用分離圖騰柱 (totem pole) 接法。
16
500V CoolMOS™ CE
5.2
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保護模式後的安全操作
本章將敘述的設計指南,是必須採取的安全預防措施。若要在任何保護(過電壓保護 (OVP)、過電流保護
(OCP)、過功率保護 (OPP) 等)之後,於 LLC 拓樸中使用 500V CE 連接具自動重新啟動的控制器,必須遵循
本指南。若控制器用於具完整閂鎖 (latch-off) 保護的應用(必須手動重新啟動系統)時,本指南則不適用。
為了提供安全的操作,必須根據下列方程式設定保護狀態發生與自動重新啟動之間的暫停時間(本文將暫停時
間命名為 tp_restart)。
t p _ restart
Lr
IS
VF
s 
…
保護狀態發生與自動重新啟動之間的暫停時間
H 
A
V 
…
主變壓器的諧振電感或漏電感
…
本體二極體的連續正向電流
…
本體二極體的正向電壓
下圖為說明 LLC 半橋接以及與閘極訊號對應之 tp_restart 的簡圖。
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圖 11:LLC 半橋接和具自動重新啟動之對應閘極驅動訊號的簡單電路圖
™
最後但同樣重要的,下一章將敘述 500V CoolMOS CE 的命名系統及產品組合。
18
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產品組合
6
™
500V CoolMOS CE 系列的命名原則遵循現有的 CP 系列,例如 IPP50R500CE:
I
…
英飛凌科技
P
…
功率 MOSFET
P
…
封裝類型 (TO-220)
50
…
電壓等級除以 10
R500
…
導通電阻,單位為毫歐姆 (milli Ohm)
CE
…
系列名稱
應用
 消費產品
 PC SilverBox
 消費產品
 照明
™
圖 12:500V CoolMOS CE 系列產品組合
19
 PC Silverbox
500V CoolMOS™ CE
應用手冊 AN 2012-04
V1.0 2012 年 4 月
7
參考資料
[1]
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[7]
20
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