在MOSFET的发展中,超级结技术(Superjunction technique)是专为配备600V以上击穿电压的高压功率半导体器件开发的,并成功用于改善导通电阻<RDS(on)>与击穿电压之间的矛盾。
TO-247-4L封装的超级结MOSFET
实践发现,采用超级结技术有助于降低导通电阻<RDS(on)>,并提高MOS管开关速度,基于该技术的功率MOSFET已成为高压开关转换器领域的业界规范。但是当MOS管的开关速度加快后,一个新的问题出现了,那就是器件封装中的源级连接电感开始对开关速度产生不利的影响,而TO-247-4L封装是解决这一问题的理想解决方案之一。
超级结技术
超级结MOSFET出现之前,高压器件主要采用平面技术。超级结技术成功案例是功率MOSFET。超级结提供更低的RDS(on),具有更少的栅极和和输出电荷,能在任意给定频率下保持更高的效率。
然而,高压快速开关应用中,超级结会面临来自AC/DC电源和逆变器方面的挑战。在从平面向超级结MOSFET过渡中,设计工程师需要在尖峰电压、电磁干扰(EMI)及噪声方面折中,考虑牺牲开关速度这个难题,这是超级结的技术原理决定的,因为MOS管额定电压取决于垂直方向的漂移区的宽度和掺杂参数。为了提高电压等级,通常增加漂移区的宽度同时降低掺杂的浓度。但是这样会明显地增加MOS管的导通电阻。对于工作电压高于600V的MOS管,漂移区的电阻可占总电阻的95%,甚至更高。
超级结MOS管的内部结构能够引导电流流过一个比正常掺杂浓度更高的N区,等效电阻随之降低。阻断之前所形成的高浓度载流子被P区产生反电荷载流子所代替。在PN区形成耗尽层,可以用来阻断一定的电压。值得注意的是,P区的载流子对传输电流没有贡献,只是通过补偿高掺杂N区载流子来改善阻断电压。
在技术上,超级结MOS管由于其工作原理也被称为载流子补偿MOS管,可以做到不小于900V的耐压,但是在工程上存在一个难以解决的问题:如何完全平衡P区和N区的载流子。如果P区的载流子无法完全补偿N区的载流子,就无法保证理想的阻断能力。随着阻断电压的上升,这个平衡就越难实现。
超级结MOS管也称载流子补偿MOS管
TO-247-4L封装
如上所述,在DTMOS管芯片提高开关速度和电流能力后,封装源极导线电感开始对其开关性能产生不利影响。在以往的3针TO-247封装中,栅源电压(VGS)应用于MOSFET芯片后,产生反电势(VLS = LS*dID/dt),这是源极导线电感(LSource)和漏极电流斜率(dID/dt)的作用。因反电势电压引起电压下降,实际作用于MOSFET芯片后,降低了开关速度,尤其是开通速度。
TO-247封装和TO-247-4L封装外形尺寸比较
如果采用TO-247-4L封装,栅极驱动源极端子将电源线电流与栅极驱动电流相隔离,有利于减少栅源电压电感的影响。为了减少对驱动电压的影响,源极端子MOSFET芯片附近位置外合,与负载端源极导线相分离。针对栅极驱动源极端子,TO-247-4L封装使用开尔文连接,减少内部源极连接电感,使MOSFET芯片实现高开关速度,有助于进一步改善高效率中型至大型开关电源的效率。
仿真技术分析也显示,TO-247-4L封装有助于提高MOSFET芯片的开关性能,降低内部源级连接电感的影响,超级结MOS管与4引脚TO-247-4L封装组合是高速应用的理想之选。
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