你的位置:首頁 > 電源管理 > 正文

如何打造“不一樣”的電源管理器件?

發(fā)布時間:2024-09-05 來源:貿澤電子 責任編輯:lina

【導讀】在半導體領域,電源管理是一個很“卷”的市場,這是不爭的事實。一方面,眾多半導體廠商都在追求更高的效率、更緊湊的封裝、更高的能量密度之路上狂奔,力求打造出更為“極致”的產品;而另一方面,傳統(tǒng)硅(Si)基器件,已經越來越接近性能的天花板,從其身上可以榨取的附加值也越來越少。


在半導體領域,電源管理是一個很“卷”的市場,這是不爭的事實。一方面,眾多半導體廠商都在追求更高的效率、更緊湊的封裝、更高的能量密度之路上狂奔,力求打造出更為“極致”的產品;而另一方面,傳統(tǒng)硅(Si)基器件,已經越來越接近性能的天花板,從其身上可以榨取的附加值也越來越少。


在這樣的大背景下,想要打造出具有差異化優(yōu)勢的、與眾不同的電源管理器件,難度可想而知。不過,成功實現(xiàn)這樣的目標,也并非無跡可尋,一般來講有兩個可選的路徑:

尋找新的替代技術,實現(xiàn)器件性能的迭代升級。就電源管理領域而言,特別是在中高功率的應用中,第三代寬禁帶半導體(如SiC和GaN)器件的開發(fā)和應用日趨火熱,就是這個原因。各個廠商都想搶先在這個領域有所建樹,利用性能上的代差優(yōu)勢,從傳統(tǒng)硅基器件的“紅?!敝忻摲f而出。


針對特定應用的優(yōu)化,在某個細分領域確立優(yōu)勢。通過精準的產品定位,以及在性能上的精益求精,在依然龐大的硅基電源管理器件市場,這是一個重要的競爭策略。


對于上面兩條路徑,大家都心知肚明,可在現(xiàn)實的市場競爭中,誰能夠走得通、走得好,則十分考驗半導體廠商的市場洞察力和技術實力。在“打造差異化的電源管理產品”方面,Nexperia的表現(xiàn)就非常出色。他們是如何做到的?本文將帶著大家做一番深入地探究。



向SiC技術升級




如前文所述,推動新一代的寬禁帶半導體器件的開發(fā),是功率半導體廠商確立差異化優(yōu)勢的關鍵著力點。這一點,在SiC器件的研發(fā)和應用上表現(xiàn)得尤為突出。


與傳統(tǒng)的如Si材料相比,SiC具有全面的性能優(yōu)勢,如更寬的禁帶(能隙)、更高的電場強度、更高的熱導率等(如圖1)。在諸多優(yōu)勢的加持下,SiC器件的性能提升也是全方位的:

  • 在相同額定電壓下,SiC的介電擊穿場強比Si基器件高10倍,且漂移層也更薄。因此,SiC器件的電阻率更低,熱傳導性能更優(yōu),與同級別額定電壓的Si器件相比,芯片尺寸也可以做得更小。

  • SiC的熱導率大約是Si基器件的3.5倍,這意味著單位芯片面積耗散的功率更多,熱性能更佳。

  • SiC器件的工作溫度可以高達Si基器件的兩倍,這可為SiC器件帶來額外的可靠性裕量,在遇到瞬態(tài)熱沖擊時表現(xiàn)出更優(yōu)的性能。

  • 由于芯片尺寸更小,在特定電流和額定電壓下,SiC器件固有的電容和相關電荷都會更低,加之SiC具有更高的電子飽和速度,因此SiC器件可實現(xiàn)比Si基器件更快的開關速度和更低的損耗。




如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖1:Si與4H-SiC材料的特性比較

(圖源:Nexperia)




正是看到了SiC的巨大潛力,涌入這條賽道的半導體廠商也越來越多,相應的競爭也越來越激烈。這也就要求半導體廠商所開發(fā)的SiC器件,必須要有異于他人的“絕活”,才能立于不敗之地。




深度優(yōu)化的SiC肖特基二極管




在進入SiC這個新賽道時,大多數(shù)半導體廠商都會選擇將SiC肖特基二極管作為切入點。這是因為SiC肖特基二極管結構和工藝相對簡單,應用廣泛,很適合作為SiC技術商用的敲門磚。


與類似的Si基功率二極管相比,SiC二極管中不會發(fā)生少數(shù)載流子積聚的現(xiàn)象,因此效率非常高,相應的散熱要求較低,有助于實現(xiàn)更高的功率密度。同時,由于開關損耗低,SiC二極管可實現(xiàn)更高的開關頻率,耗散的熱量也較小,因此只需使用較簡單的EMI濾波組件和更小巧的磁性組件,十分有利于在系統(tǒng)成本和外形上的優(yōu)化。此外,SiC二極管還可耐受更高溫度,具有更高的耐用性和可靠性。


可以說,相對于傳統(tǒng)的Si功率二極管,SiC肖特基二極管在很多性能方面都具有“碾壓式”的優(yōu)勢,不過這并不意味著其已經盡善盡美,比如與Si快速恢復二極管相比,SiC二極管的一些特性仍有待提高,這也為相關產品的差異化提供了空間。


在打造差異化的SiC二極管方面,Nexperia從設計和制造工藝上雙管齊下,將器件的性能提升到了一個新高度。


具體來講,在SiC二極管的設計上,Nexperia將肖特基二極管和P-N結二極管有效地并聯(lián)在一起,形成了一種被稱為“合并PiN肖特基(MPS)”的混合器件結構,由此帶來的差異化優(yōu)勢是多方面的。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖2:獨特的MPS混合二極管結構

(圖源:Nexperia)


減少漏電流


大家知道,金屬-半導體接面的缺陷是SiC肖特基二極管漏電流的主要成因,雖然采用更厚的漂移層可減小漏電流,但也會提高電阻和熱阻,不利于電源應用。而MPS混合二極管結構,在傳統(tǒng)肖特基結構的漂移區(qū)內嵌入P摻雜區(qū),與肖特基陽極的金屬構成P型歐姆接觸,并與輕度摻雜SiC漂移或外延層構成P-N結。在反向偏壓下,P阱將“驅使”極高場強的通用區(qū)域向下移動到幾乎沒有缺陷的漂移層,遠離有缺陷的金屬勢壘區(qū)域,從而減小總漏電流(如圖3所示)。同時,正向壓降會抵消漏電流和浪涌電流,因此在漏電流和漂移層厚度相同的情況下,MPS結構器件可在更高的擊穿電壓下運行。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖3:在SiC肖特基二極管中添加P阱可使反向偏壓下的極高場強區(qū)域遠離陽極金屬區(qū)域,從而減小總漏電流(圖源:Nexperia)


提高浪涌電流穩(wěn)健性


SiC器件的浪涌電流性能與其單極性和相對較高的漂移層電阻相關。正常運行時,MPS二極管的肖特基器件傳導幾乎所有電流,如同“純”肖特基二極管那樣有效運行,同時在開關期間提供相同的優(yōu)勢;而在高瞬態(tài)浪涌電流事件期間,通過MPS二極管的電壓會超過內置P-N結二極管的開啟電壓,從而開始以更低的差分電阻傳導。這樣可以轉移電流,同時限制耗散的功率,并緩解MPS二極管的熱應力。而如果使用傳統(tǒng)的肖特基二極管,應對同樣級別的瞬時過流事件,則不得不選擇尺寸超規(guī)格的器件。


改善反向恢復特性


反向恢復電荷是造成Si快速恢復二極管功率損耗的一個主要原因。而對于SiC二極管來說,只有多數(shù)載流子才會影響二極管的總電流,這意味著SiC二極管能夠表現(xiàn)出幾乎恒定的行為,幾乎不會有Si快速恢復二極管那樣的非線性性能。這使得開發(fā)者更容易預測出SiC器件的行為,而無需考慮各種環(huán)境溫度和負載條件,為設計提供更大的便利性。


除了優(yōu)化的器件結構,在工藝上,Nexperia通過打造創(chuàng)新的“薄型SiC”二極管結構,大大減少了芯片厚度,使得MPS二極管性能進一步提升。


從MPS二極管的結構來看,未經過處理的SiC襯底為N摻雜襯底,并會生長出SiC外延層,以形成漂移區(qū)。襯底初始的厚度可達500μm,但在形成外延后,會給背面金屬的電流和熱流路徑增加額外的電阻和熱阻,使得給定電流下的正向壓降和結溫變得更高。


對此,Nexperia的解決方案是通過特殊的工序,將襯底的底面“磨薄”,并保持厚度的均勻性——如果厚度不均勻,可能會降低二極管的性能,甚至導致現(xiàn)場應用中的器件失效。通過對材料質量和研磨精度的把控,Nexperia的“薄型SiC”技術可將襯底厚度減少到原來的三分之一。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?


圖4:薄型SiC工藝可顯著提高二極管的電氣性能和熱性能(圖源:Nexperia)




Nexperia的PSC1065K SiC肖特基二極管,就是基于MPS架構、采用“薄型SiC”工藝打造的器件。該SiC二極管采用R2P TO-220-2(SOT8021)通孔大功率塑料封裝,具有與溫度無關的電容關斷、零恢復開關特性,以及出色的品質因數(shù) (QC x VF),適用于各類超高性能、低損耗、高效電源轉換應用。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?


圖5:PSC1065K SiC肖特基二極管

(圖源:Nexperia)



與眾不同的SiC MOSFET




在電源管理領域,除了功率二極管,SiC MOSFET也是各個廠商角逐的一個主賽場。這是因為,憑借高耐壓、低導通電阻、高開關頻率、高效率、小型化等優(yōu)勢,SiC MOSFET有望在諸多應用中替代原有的主流Si基器件(如MOSFET和IGBT),應用范圍廣,市場前景非??捎^。


隨著技術和市場的發(fā)展,今天SiC MOSFET領域的競爭也愈發(fā)激烈。想要從中勝出,參與競爭的SiC MOSFET器件,必須能夠提供更為獨特的功能,為用戶帶來其他競品無法替代的價值。


在這個領域,Nexperia的招牌產品是其推出的1200V SiC MOSFET,其充分發(fā)揮出了SiC器件的優(yōu)勢,具有出色的溫度穩(wěn)定性和很高的開關速度,非常適合于大功率和高壓工業(yè)應用。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?


圖6:Nexperia的1200V SiC MOSFET

(圖源:Nexperia)




值得注意的是,在此基礎上,這些SiC MOSFET產品體現(xiàn)出的四大差異化優(yōu)勢,更是錦上添花,讓人過目不忘。



優(yōu)勢一:超低的RDS(ON)漂


對于典型的SiC器件,隨著結溫的升高,RDS(ON)在整個工作溫度范圍內通常會增加到1.6至2倍。而Nexperia的1200V SiC MOSFET,其RDS(ON)溫度漂移僅為1.4倍。這意味著,與競品相比,這種出色的溫度穩(wěn)定性可有效減少高溫下導通損耗,這一優(yōu)勢特性對于電機驅動、充電基礎設施、太陽能光伏、UPS等需要較高工作溫度的應用,大有裨益。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖7:Nexperia的SiC MOSFET具有超低RDS(ON)漂移(圖源:Nexperia)


優(yōu)勢二:更低的閾值電壓容差


MOSFET的閾值電壓(Vth)是器件安全工作的一個重要指標,同時閾值電壓容差也是一個不容忽視的相關關鍵參數(shù),該參數(shù)表示指定的閾值電壓的極小值和極大值之間的變化。低閾值電壓容差,意味著可以在多個并聯(lián)的SiC MOSFET之間實現(xiàn)高度對稱的開關行為——這種并聯(lián)設計是許多電源應用中的常見布局形式——通過“平衡的并聯(lián)”減少單個器件的應力,進而增強電路性能并延長產品壽命。與類似的競品相比,Nexperia的SiC MOSFET的閾值電壓變化僅為1.2V,表現(xiàn)十分出眾。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖8:Nexperia的SiC MOSFET具有更低的閾值電壓容差,有助于實現(xiàn)器件的平衡并聯(lián)(圖源:Nexperia)


優(yōu)勢三:優(yōu)異的柵極電荷參數(shù)


對于SiC MOSFET來說,低柵極電荷 (QG) 可以降低開關操作期間的柵極驅動損耗,還有助于降低功耗和對柵極驅動器的其他要求。此外,柵漏電荷 (QGD) 和柵源電荷 (QGS) 之間的比率,也是考量器件穩(wěn)定性的重要指標,如果QGD低于QGS,SiC MOSFET可提供更穩(wěn)定的性能。Nexperia的1200V SiC MOSFET不僅具有低QG,而且還具有出色的QGD與QGS電荷比,這確保了其能夠提供更低功耗、更出色的穩(wěn)健性和更安全的開關性能。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖9:Nexperia的SiC MOSFET具有較低的柵極電荷和電荷比(圖源:Nexperia)


優(yōu)勢四:超低正向壓降


SiC MOSFET通常用于具有高邊和低邊MOSFET的對稱橋配置,即一個器件導通時另一個器件則關斷。為防止發(fā)生潛在的破壞性短路,需要一定的“死區(qū)時間”(即兩個器件都處于關斷狀態(tài)的短暫持續(xù)時間)。但即使在死區(qū)時間內,電流也會繼續(xù)流過MOSFET的體二極管,并且產生的壓降高于器件通道導通時的壓降。也就是說,死區(qū)時間間隔內升高的壓降會帶來更高的功率損耗。Nexperia的1200V SiC MOSFET具有出色的體二極管穩(wěn)健性,相較其他同類產品,具有更低的正向壓降。因此,與其他具有相同工作條件和死區(qū)時間的器件相比,Nexperia的SiC MOSFET損耗要低得多。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?


圖10:Nexperia的SiC MOSFET具有更低的正向壓降(圖源:Nexperia)




總之,SiC MOSFET相對于Si基器件的優(yōu)勢已經眾所周知,但隨著越來越多SiC MOSFET產品的面市,想要在眾多競品中脫穎而出,也非易事。而Nexperia的SiC MOSFET器件,憑借超低RDS(on)漂移、超低閾值電壓差、低柵極電荷和出色的柵極電荷比,以及超低正向壓降等優(yōu)勢,找到了贏得差異化競爭的“密碼”。


緊湊而高效的LCD偏壓電源IC


如果說上文提到的兩款Nexperia的SiC產品,是在技術迭代升級中尋求突破,那么下面這款產品則是選擇了另一條差異化的路徑,即“通過面向應用的優(yōu)化,在細分市場上確立競爭優(yōu)勢”。


隨著電子產品的智能化,使用顯示屏的產品越來越多,以提供更佳的人機交互體驗,這也推動了對于屏幕偏壓驅動芯片需求的增長。針對這一市場需求,Nexperia推出了新一代的兩路輸出LCD偏壓電源系列產品——NEX10000和NEX10001電源IC,它們集成了LDO穩(wěn)壓器、集成式升壓轉換器和負電荷泵,分別可以提供80mA和高達220mA的兩路輸出電流,提供穩(wěn)定的屏幕顯示。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖11:NEX10000/1 LCD偏壓電源IC

(圖源:Nexperia)


為了獲得差異化的優(yōu)勢,Nexperia的這兩款IC在兩個方面做了特別的優(yōu)化:一是小型化,二是高效率。


在小型化方面,這兩款器件均可用I2C編程兩路電壓輸出,僅需一個電感器即可為兩個輸出端提供支持,并采用內部補償,因此有助于減小PCB面積。此外,NEX10000/1采用緊湊的WLCSP15封裝,外形尺寸僅為1.16 × 1.96 × 0.62mm,非常適合于在空間受限的設計中應用。


在低功耗方面,NEX10000/1內置了升壓轉換器,該轉換器能夠根據(jù)負載電流,在連續(xù)導通模式(CCM)和脈沖頻率調制模式(PFM)之間切換,從而顯著提升效率,降低器件的功耗,特別有利于電池供電設備的續(xù)航。


此外,這兩款器件都支持2.7V至5V的輸入電壓范圍,并具有出色的輸入和負載瞬態(tài)響應,這些特性可減少輸出紋波,從而為LCD提供更穩(wěn)定的圖像,更大限度地延長LCD的工作壽命,是智能手機、平板電腦、VR頭顯和LCD模塊等產品的理想選擇。


如何打造“不一樣”的電源管理器件?

圖12:NEX10000/1主要特性和典型應用

(圖源:Nexperia)


本文小結


綜上所述,打造具有差異化優(yōu)勢的“不一樣”的產品,是當下電源管理器件市場的競爭之道。無論是借助技術升級開疆擴土,還是在成熟市場中精耕細作,都是實現(xiàn)這一目標的有效途徑,當然也是檢驗元器件廠商“功力”的命題。

文章來源:貿澤電子



免責聲明:本文為轉載文章,轉載此文目的在于傳遞更多信息,版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:

電化學感知技術的新時代

超高功率密度SiC模塊,助力電動車主逆變器小型化

聊聊低通濾波器這個迷人的研究點

傳感器關鍵參數(shù)介紹“精度”

10BASE-T1S如何推動工業(yè)與汽車革新?


特別推薦
技術文章更多>>
技術白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關閉

?

關閉