Nexperia – 更高的效能和更出色的平衡

作者：Dr-Ing。 Reza Behtash，應用營銷經理，

Nexperia

肖特基二極體具有低正向壓降和高開關速度，使其非常適合各種應用，例如電源轉換電路中的升壓二極體。

傳統上，與使用肖特基二極體相關的效能權衡迫使設計人員在最佳化正向電壓、漏電流和反向截至電壓之間做出選擇。

目前，新一代溝道肖特基二極體有助於減少效能權衡的影響，並提供比同類的平面器件更好的功能。使用溝道肖特基二極體的設計人員可以得益於更低的開關損耗、更寬的安全工作區 （SOA） 和更低的反向恢復電荷。

瞭解肖特基二極體的效能權衡

理想的整流二極體應具有低正向壓降、高反向截至電壓、零漏電流和低寄生電容，從而實現高開關速度。

導致正向壓降的主要原因有兩個：

結兩端的壓降：PN 整流二極體為 PN 結，肖特基整流二極體為金屬-半導體結

漂移區的壓降

雖然 PN 結上的正向電壓降本質上由內建電壓決定，即主要由指定的半導體材料決定，但肖特基勢壘整流二極體中的金屬-半導體介面上的正向壓降可以透過選擇肖特基金屬而進行改變：肖特基勢壘是金屬功（MW）函式與半導體的電子親和力的差異而引起的。

透過使用具有低金屬功（MW）函式的肖特基金屬，可以最小化金屬半導體介面上的壓降。然而，結上的正向壓降和肖特基整流二極體的漏電流之間存在權衡，因為漏電流的幅度也由肖特基勢壘和金屬-半導體介面上的電場決定。此外，當增加漂移區的厚度以實現高反向截至電壓時，結上的低壓降的優勢會消失。這就是為什麼肖特基整流二極體的反向截至電壓傳統上被限制在 200 V 以下的原因。

溝道技術的優勢

因此，挑戰在於保持金屬半導體介面的低壓降，因為電源系統設計人員還需要低漏電流和高反向截止電壓。

這時，溝道整流二極體非常適用。溝道肖特基整流二極體製造的基本概念是RESURF（降低表面電場）。RESURF 效應如圖 1 所示。在平面肖特基整流二極體中，等勢線集中在靠近頂部電極的位置，從而在表面附近產生高電場。這導致漏電流隨著反向電壓的增高而大幅增加，並且當表面附近的電場強度超過其臨界值時會導致早期擊穿。

圖 1：平面肖特基整流器（左）和溝槽肖特基整流器（右）的反向等勢線

透過在矽中蝕刻溝槽並用多晶矽填充它們（多晶矽透過薄介質與漂移區電隔離），溝槽就像半導體中的電場板，反向耗盡漂移區，並導致沿漂移區平坦的電場分佈。這意味著與具有相同外延結構的平面器件相比，溝槽結構透過降低表面附近的電場併產生更高的擊穿電壓來實現更低的漏電流。

Nexperia PMEG*T 系列溝槽肖特基整流器提供 40 V 至 100 V 的額定電壓，在正向壓降和漏電流之間實現了良好的平衡。圖 2 顯示了在125°C 下，額定電壓為 60 V 的整流器在最大反向電壓下的漏電流與最大正向電流下的正向壓降的關係曲線。為了比較，還展示了來自其他兩家制造商的溝槽和平面肖特基整流器。對於給定的正向壓降，Nexperia 器件的漏電流最低。

圖 2：在125°C、最大反向電壓和最大正向電流下，正向電壓與漏電流之間的權衡

溝槽整流器具有更寬的安全工作區

與具有相當正向壓降的等效平面整流二極體相比，溝道肖特基整流二極體的漏電流較低，這表明溝道器件具有更寬的安全工作區。安全工作區表明了可以施加的最大反向電壓與結溫的關係。溝道整流二極體的安全工作區已經比等效的平面肖特基二極體更寬，但 Nexperia 溝道產品擴充套件了這種安全工作區優勢。圖 3 顯示了 PMEG100T080ELPE 溝道肖特基整流二極體的熱阻為 90 K/W 時的安全工作區，以橙色顯示，而來自另一家供應商的類似溝道肖特基器件以藍色顯示。在 125°C 的結溫下，Nexperia 溝道器件的最大允許反向電壓幾乎比競爭對手產品高 40 V。

圖 3：Nexperia PMEG100T080ELPE 溝槽肖特基二極體與競爭對手的溝槽肖特基器件的安全工作區比較

在暴露於高環境溫度的應用中，例如汽車，溝槽肖特基整流器是一個不錯的選擇，因為它們更能抵抗熱失控，當由整流器的漏電流引起的耗散功率增高的速度快於熱量透過系統耗散的速度時，就會出現不穩定。

溝槽肖特基整流器的等效電路圖如圖4所示。除了通常的肖特基二極體寄生電容外，還有第二個寄生電容，由電極和溝槽結構中的薄電介質引起。這意味著溝槽肖特基整流器的每單位面積的總寄生電容高於同類的平面器件。

圖 4：溝槽肖特基整流器的橫截面和等效電路圖（突出顯示電路元件）

然而，這種寄生電容不會影響二極體的開關特性或 EMI：事實上，溝槽整流器的儲存電荷比平面肖特基二極體少，儘管寄生電容較大，但仍能提供出色的開關效能。

反向恢復行為和反向恢復電荷

器件的開關行為可以透過反向恢復測量來表徵。此類測量是透過將整流二極體正向偏置，然後將器件切換到反向狀態來執行的。由於器件中儲存的電荷（由圖 4 所示等效電路中的寄生電容表示）必須在二極體截止之前首先移除，因此會出現所謂的反向恢復電流。圖 5 顯示了溝道肖特基整流二極體及具有類似晶片尺寸和封裝的平面器件的斜坡反向恢復測量值。

圖 5：溝槽和平面肖特基二極體的反向恢復行為

在此測量中，電流以 1 A/ns 的 di/dt 速率下降。零線下方的區域代表整流二極體的反向恢復電荷。藍線顯示了平面器件的較低反向恢復電荷。該圖還顯示了與平面整流二極體相比，溝道整流二極體的反向恢復電流較低，反向恢復時間較短，儘管寄生電容較高。

溝槽整流器的反向恢復電荷的溫度穩定性非常值得注意，因為應用很少在低至 25°C的溫度下執行。如圖 5 所示，溝槽整流器的反向恢復電荷在 85°C的高環境溫度下幾乎沒有變化，而平面肖特基二極體的反向恢復電荷則大幅增加。

溝槽肖特基整流器的低反向恢復電荷可顯著提高轉換器效率，尤其是在高頻、開關損耗更大時。圖 6 以 48 V 至 12 V 電源轉換器為例說明了這一點。

圖 6：溝道肖特基整流器提高了轉換器效率，尤其是在高頻、開關損耗低於平面器件時

正如圖 7 所示的傳導和輻射發射測量所示，開關期間溝槽式整流器中發生的任何振鈴都不會影響電磁發射水平。

圖 7：對電磁發射的影響：輻射發射（左）；傳導發射（右）。使用一個 48 V 至 12 V 降壓轉換器來測試，它使用 3 A CFP3 整流器

小結

綜上，如果需要在正向壓降和漏電流之間實現出色的平衡，則溝槽整流器是合適的選擇。在環境溫度較高的高功率密度應用中，也應選擇溝槽整流器，因為它們更能抵抗熱失控效應。對於以高於 100 kHz 的開關速度執行的應用，溝槽器件降低的開關損耗尤其有益。

Nexperia 提供 60 款溝槽肖特基二極體，額定電壓為 40 V 至 100 V，額定電流為 1 A 至 20 A。這些 PMEGxxxTx 器件採用 Clip Bond FlatPower 封裝：CFP2HP、CFP3、CFP5 和 CFP15（B）。這些尺寸和熱效率高的封裝已成為功率二極體的行業標準。實心銅夾降低了封裝的熱阻並優化了熱量向周圍環境的傳遞，使電源系統設計人員能夠實現小巧緊湊的 PCB 設計。

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