小小的电源开关可如何拯救世界

那么，这些器件和理想开关之间的最大区别在哪里呢?首先，驱动实际开关需要一些能量。这个能量必需由栅极驱动器提供。由于MOSFET和IGBT都代表着电容性负载，利用栅极电容，驱动电压和开关频率可计算出所需的功率。双极型晶体管需要一个基极电流，而在IGBT中，这由栅极电压的沟道提供，并流入负载。由于这个功率可能相当高，目前只在极少数情况下开关模式电源才采用双极型晶体管。因为栅极是电容性负载，栅极驱动器在开关时可能产生高峰值电流。这些峰值电流与主要开关的开关速度直接有关，这种关系既有利也有弊。一般而言，由于器件在“线性”区域 (即在完全导通和完全关断之间) 花费的时间越来越少，故需要快速的开关，但电路中电流变化率dI/dt过快可能带来有害的副作用，比如可能损坏开关或其它元件的高峰值电压。此外，快速开关无可避免产生电磁辐射，为符合相关规范，这些辐射必需被过滤掉。

MOSFET或IGBT与理想开关的另一个区别是，它们的导通阻抗不是零，因此会产生导通损耗。IGBT的情况更甚，器件上或多或少的恒定压降都会在导通状态产生损耗，在轻载时尤其严重。

第三个区别是，器件中的寄生电容会存储能量，并正好在器件从导通状态变为关断状态时释放能量，反之亦然。这些损耗可能相当大，即使空载时也会产生功耗。

由于我们最初的目的是提高电源子系统的效率，故电源开关的影响最大，这三大效应 (栅极驱动、开关和导通损耗) 为我们提供了一条提高效率的路径。那有什么新方法吗?图4显示了从平面型到垂直和超结MOSFET等各种器件结构上的路径。

图4 左图为典型的平面型MOSFET，右图是利用多外延层产生的超结MOSFET

不幸的是，摩尔定律在这里不再适用。由于光刻设备的改进，器件结构可被简化，相同面积上可集成更多的有源晶体管。不过存在两个限制效应：首先，电场必须保持在一定强度之下，否则器件结构会内部击穿。其次，若器件加压过大，需要以受控方式吸收能量，这不仅需要特定的结构，还得有足够的硅体积以避免器件毁坏。

但也并非没有优点。由于晶体管单元 (通常按条状排列) 尺寸的减小，导通阻抗可大幅度改善。因此，对于给定的RDSON 值，芯片尺寸要小得多，成本效益也更高，而且需要的栅极驱动功率更低 (改进器件结构，减少栅极的内部电容)。现在，击穿电压600V、导通阻抗低于85毫欧的功率MOSFET (TO220封装)已面市，其在特定点的功率损耗只是前几代产品的二分之一。

另一项重大进步是垂直晶体管中块状半导体材料阻抗的降低。在功率MOSFET中，反应大部分都是发生在表面以下数微米内，这一厚度正好是机械处理所需的，并允许损耗区域延伸到器件更深部分，但不超过最大电场强度。正因为此，业界的研发重点都集中在使晶圆更薄、改进处理技术以去除电流路径上的阻抗就不足为奇了。被称为“超结”MOSFET的最新器件结构增加了器件的n掺杂，可进一步减小这种阻抗，而且它又被大半器件引入的p掺杂所抵消掉，以保持总体电荷平衡。

至于IGBT，它运用沟道技术来减小片上横向隔离结构的大小，有助于减小芯片面积，同时保持性能。但这些沟道必需支持很高的隔离电压，故取得这一技术的进步并不容易。结果是相比前几代产品，导通损耗降低25%，开关损耗降低8%。对于加热应用，由于普遍使用基于IGBT的感应加热器，其效率从40% (气体) 左右提高到90%以上。

这种新器件将如何改变应用前景呢?当前，节能和相关新规范前所未有的重要。现有电路和器件也可以满足这些规范，但无法同时保持现有的成本水平。飞兆半导体推出的新电源开关却具有一流的性价比，能协助众多研发工程师轻松应对公司和客户提出的提高电源子系统效率的挑战。

必需注意的是，这些新的、尺寸更小的器件还能够在多芯片封装中真正实现功率子系统的高效集成，同时体现良好的功率级别。利用以往的技术，由于封装的热阻和过热现象，功率总是颇为受限，这些解决方案并没有起到什么作用。眼下情况正在改变，飞兆半导体开发的一大批专门用于运动控制、感应加热和焊接应用的IGBT模块，以及超越FPS功率范围的首款电源模块都已开始供货，更多相关产品也将陆续推出。

改进电源子系统中最关键的技术水平是可行的。开发新的技术并确保它在所有可能环境中都能有效工作可能还需要好几年的时间与数百万的资金，这可是一项艰巨的任务，但却是值得的，因为越来越多的产品开始关注节能，为终端用户节省成本，并且保护地球资源。您说开关还只是一个小小的开关吗?