Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №10

Преимущества транзисторов CoolMOS в мостовых резонансных преобразователях с фазовым сдвигом

Хамзин Наджим


Благодаря своей структуре, в преобразователях с переключением при нулевом напряжении транзисторы CoolMOS значительно более надежны, чем другие мощные MOSFET-транзисторы. В статье объясняются причины возникновения эксплуатационных отказов, описываются процессы внутри силового транзистора, перечисляются свойства транзисторов CoolMOS, благодаря которым они не восприимчивы к механизму термического разрушения, а также описываются другие их преимущества.

Причины возникновения эксплуатационных отказов в мостовых резонансных преобразователях с переключением при нулевом напряжении

Резонансный преобразователь с фазовым сдвигом — мостовая схема с четырьмя высоковольтными транзисторными ключами (рис. 1). Его преимущество — самая большая плотность мощности и очень высокая эффективность из-за включения транзисторов при нулевом напряжении. Недостатком таких устройств является усложнение схемы контроля и управления. Поэтому основной областью применения мостовых резонансных преобразователей являются источники электропитания с выходной мощностью около 1 кВт и выше.

Рис. 1. Схема мостового резонансного преобразователя с фазовым сдвигом

Мостовой резонансный преобразователь использует энергию, запасенную в индуктивном элементе, для приведения напряжения на транзисторах Q1 и Q4 к нулю прежде, чем включаются соответствующие транзисторные ключи. Тогда напряжение на силовом приборе (например, Q4) фиксируется внутренним паразитным диодом мощного MOSFET-транзистора. Затем транзистор переходит во включенное состояние при нулевом напряжении в течение данной стадии. С включением транзистора на противоположной диагонали моста, например, Q3, и выключением Q2 соответственно, ток через транзистор меняет направление с обратного на прямое. На рис. 2 показаны характерные для данного режима формы сигналов тока и напряжения, полученные в ходе эксперимента. Для детального обсуждения механизмов разрушения мы разделили полную форму сигнала на четыре стадии:

  • t1 — протекание обратного тока через внутренний паразитный диод;
  • t2 — протекание обратного тока через внутренний паразитный диод и переход транзистора;
  • t3 — протекание прямого тока через переход транзистора и рассасывание заряда обратного восстановления;
  • t4 — начало стадии выключения.
Рис. 2. Форма сигналов тока и напряжения серийно выпускаемого источника электропитания с мостовым резонансным преобразователем с фазовым сдвигом

При переходе к состоянию незначительного потребления тока в нагрузке, например 1/8 части номинального тока нагрузки, время включения транзистора в течение прохождения прямого тока может быть слишком мало, чтобы достичь полного рассасывания заряда обратного восстановления, который был введен в активную область транзистора в течение работы внутреннего паразитного диода. Согласно отчетам, эксплуатационные отказы часто связаны с данным режимом незначительной нагрузки.

Процессы внутри силового ключа

Для лучшего понимания основной причины отказа преобразователей рассмотрим внутреннюю структуру транзистора. На рис. 3 показано поперечное сечение стандартного мощного MOSFET-транзистора. В направлении прямого тока поток электронов течет от n+-области (исток) через n-канал, который сформирован положительным напряжением затвора на поверхности шейной области p-well, через область дрейфа n к контактному слою n+, который связан с потенциалом стока.

Рис. 3. Поперечный разрез обычного мощного MOSFET-транзистора

При нулевом или отрицательном напряжении на затворе канал транзистора закрыт; p-n-переход, сформированный шейной областью p-well и областью дрейфа n, блокирует приложенное напряжение между стоком и истоком. Транзистор находится в закрытом состоянии.

В направлении протекания обратного тока (к стоку приложено отрицательное напряжение относительно потенциала истока) основной p-n-переход находится в прямом смещении. Дырки (положительные заряды) пересекают p-n-переход и текут через область дрейфа к контактному слою n+, где уничтожаются доминирующими там электронами (отрицательные заряды). Напротив, электроны движутся от n+-контактного слоя через область дрейфа вверх, пересекая p-n-переход. Немногие из них могут достигать n+-области истока, остальные уничтожаются в шейной области p-well, где доминируют дырки. В дрейфовой области электроны и дырки сосуществуют.

Мы говорим здесь об электронно-дырочной плазме, поскольку концентрация и электронов, и дырок выше, чем степень легирования n-примесей в области дрейфа. Электроны и дырки могут рекомбинировать в данном случае с некоторой скоростью в зависимости от присутствия центров рекомбинации. Эти центры обычно создаются облучением устройства или диффузией Au или Pt. Электронно-дырочная плазма имеет высокую проводимость с результирующим падением напряжения всего 0,7–1,2 В в режиме протекания обратного тока в мощном MOSFET-транзисторе. Если к транзистору снова прикладывается положительное напряжение, плазма должна быть удалена прежде, чем транзистор будет способен блокировать напряжение. Эта плазма — источник тока обратного восстановления в течение переключения диода. Заряд, который получается в результате интегрирования по времени тока обратного восстановления, называется зарядом обратного восстановления Qrr.

Процессы, происходящие в мостовом резонансном преобразователе в течение этих четырех стадий (t1–t4) схематично показаны на рис. 4 в следующей последовательности: слева направо и сверху вниз. В течение стадии t1 в силовом транзисторе протекает обратный ток. Активная область заполняется электронно-дырочной плазмой, обозначаемой пурпурным цветом. В начале стадии 2 силовой транзистор находится во включенном состоянии за счет положительного напряжения, приложенного к затвору. Часть электронного тока, который течет от контактного слоя n+ к выводу истока, теперь может течь через канал вместо протекания через p-n-переход, что способствует уменьшению концентрации электронов и дырок между шейными областями p-well. Это показано на второй части рис. 4 более светлым пурпурным цветом.

Рис. 4. Потоки электронов и дырок внутри обычного силового MOSFET-транзистора, протекающих в течение четырех стадий работы мостового резонансного преобразователя (t1–t4: слева направо, сверху вниз)

На стадии 3 направление тока изменилось из-за переключения транзисторов в противоположной диагонали мостового резонансного преобразователя. Обратите внимание, что на третьей картинке рис. 4 стрелки для электронного потока теперь указывают на контактный слой n+, и поток дырок течет вверх, к шейной области p-well — p-n-переход начинает закрываться. Из-за очень низкого падения напряжения на открытом переходе транзистора (примерно 1 или 2 В) вокруг p-n-перехода формируется небольшая обедненная область. Она обозначена белым цветом. Далее инжекция электронно-дырочной плазмы в активную область силового транзистора прекращается. Однако в нижней части активной области электронно-дырочная плазма пока еще присутствует. Эта плазма все еще поддерживает поток дырок к шейной области p-well. Из-за искривления областей p-well поток дырок сосредоточен в области ниже электрода затвора.

На стадии 4 силовой транзистор закрывается. На высоких частотах переключения заряд обратного восстановления внутреннего диода может не полностью быть вытеснен из активной области транзистора, особенно при незначительной или средней нагрузке. Эта ситуация продемонстрирована на четвертой картинке рис. 4 областью светло-пурпурного цвета возле обратной стороны слоя n+. Если теперь на силовой прибор подать напряжение за очень короткое время dv/dt, область заряда (обозначенная белым цветом) быстро расширится, занимая n-область дрейфа по направлению к контакту n+. Оставшаяся электронно-дырочная плазма будет далее выдавлена, как паста из тюбика, в результате чего большой поток дырок устремится вверх к области p-well. Данный поток дырок снова сосредоточится вокруг искривления области p-well, что и показано большим количеством стрелок на четвертой картинке рис. 4.

Теперь более детально рассмотрим ячейку силового MOSFET-транзистора. Рис. 5 содержит поперечное сечение ячейки обычного MOSFET-транзистора, используемой в таком или почти таком виде всеми производителями силовых MOSFET-транзисторов. Металлизация истока контактирует с областью p-well и с совместной или разделенной на разные стороны областью n+. Р-контакт необходим для закрытого состояния, и n+-контакт для открытого состояния транзистора. Затвор изолирован от области p-well тонким оксидным слоем, который обозначен желтым цветом на рис. 5.

Рис. 5. Детальный вид обычной ячейки силового MOSFET-транзистора, иллюстрирующий механизм разрушения движущимися с разных сторон дырками ниже области n+

Поток дырок, проходя через дрейфовую область n, достигает области p-well — таким образом, он пересекает шейную область p-well с разных сторон по направлению к металлическому контакту (показан серым цветом). Ток создаст разность потенциалов вдоль своего пути к контакту. Это падение напряжения стремится к организации прямого смещения p-n-перехода, сформированного областями p-well и n+, приводя к открыванию свойственного ячейке паразитного биполярного n-p-n-транзистора. Так как этот ток имеет положительный температурный коэффициент, полный ток через транзистор, вероятно, создаст шнурование в одной или нескольких ячейках, приводя транзистор к термодеструкции. Вероятность данной ситуации зависит (помимо скорости нарастания напряжения dv/dt при выключении) от нескольких технологических факторов, таких как размещение контакта относительно области p-well, объем заряда обратного восстановления, уровень легирования области p-well и т. д. Для обычного MOSFET-транзистора всегда существует вероятность отказа силового транзистора при неудачной комбинации перечисленных технологических факторов. Данная ситуация достаточно неприятна для потребителей из-за риска возникновения серии эксплуатационных отказов силовых MOSFET-транзисторов в схемах с резонансным преобразованием.

Причины устойчивости транзисторов с технологией CoolMOS к эксплуатационным отказам, присущим мостовым резонансным схемам

Перечислим основные причины возникновения механизма отказа силового MOSFET-транзистора в схемах с резонансным преобразованием, прежде чем приниматься за рассмотрение структуры CoolMOS-транзистора:

  • высокая скорость нарастания напряжения dv/dt при выключении транзистора с частично удаленным зарядом обратного восстановления;
  • пересечение потоков дырок шейной области p-well с разных сторон в транзисторной ячейке.

Ключевым моментом в понимании невосприимчивости CoolMOS-транзистора к механизму пробоя в резонансных схемах являются его отличия во внутренней структуре. Рис. 6 демонстрирует поперечный разрез ячейки. Здесь видно единственное отличие от обычного транзистора, показанного на рис. 3: столб p-области глубоко проникает в активную область силового транзистора. Дополнительная p-зона обеспечивает более высокую степень легирования соседнего n-столбца, снижая тем самым присущее данной области сопротивление в открытом состоянии CoolMOS-транзистора в пять раз по сравнению с обычным транзистором [4–6]. Степень легирования данной p-зоны должна тщательно контролироваться, так как при закрытом состоянии транзистора свободные носители в ней полностью отсутствуют.

Рис. 6. Поперечное сечение ячейки CoolMOS-транзистора

Данная структура прямо влияет на динамические свойства CoolMOS-транзистора. Ее воздействие на 4 стадии переключения в мостовом резонансном преобразователе показано на рис. 7.

Рис. 7. Протекание электронов и дырок внутри CoolMOS™ ячейки транзистора в течение четырех стадий мостового резонансного преобразователя (t1–t4: слева направо, сверху вниз)

В течение стадии t1 транзистор работает как внутренний паразитный диод с током, текущим в обратном направлении. На данной стадии нет существенного отличия от обычного транзистора, поскольку концентрация плазмы все еще на порядок выше, чем степень легирования p- и n-столбцов транзистора. Из-за включения полевого канала на стадии t2 концентрация электронов и дырок между областями p-well уменьшается, структура p-столбца начинает появляться вновь.

Вообразите плавательный бассейн глубиной 2,4 м. Структура p- и n-столбцов была бы на этой картине на глубине 10 см. Пока водоем полон воды, не имеет значения, присутствуют ли пары p-n-столбцов. Так или иначе, они невидимы на поверхности. На стадии t2 уровень воды в водоеме начинает уменьшаться, так что теперь структуры, сформированные в активной области транзистора, начинают становиться видимыми.

На стадии t3 направление тока изменит свой знак, электронный поток движется теперь вниз к контакту n+, а поток дырок течет вверх, к области p-well. Обратите внимание на то, что на этой стадии электронно-дырочная плазма все еще присутствует в активной области транзистора, и область объемного заряда фактически отсутствует. Такая область, которая полностью очищена от подвижных носителей, должна распределиться вокруг p-n-перехода устройства.

Так как в CoolMOS-транзисторе глубина p-n-перехода достигает нескольких десятков микрометров, плазма должна быть вытеснена практически полностью из всей активной области силового транзистора прежде, чем на транзисторе установится некоторое блокирующее напряжение. Работа силового транзистора во многом подобна источнику тока. Благодаря току нагрузки, электронно-дырочная плазма уменьшается во всей активной области транзистора. Относительно сильно легированные p- и n-столбцы появляются вновь, но они не обеднены подвижными носителями. Эта ситуация обозначена областью синего цвета и цвета охры ниже красных областей p-well.

В ходе наших рассуждений мы рассматриваем на данной стадии ток смещения, поддерживаемый подвижными электронами и дырками обратного заряда восстановления. На силовом транзисторе нет никакого падения напряжения и фактически никакого рассеяния мощности. В наиболее важной стадии 4 транзистор находится в выключенном состоянии. CoolMOS-транзистор действует как источник тока, пока заряд обратного восстановления не будет фактически полностью вытеснен из активной области. Только после того, как произойдет полное удаление носителей, введенных в течение работы внутреннего паразитного диода на стадии t1, силовой транзистор начинает блокировать некоторое напряжение. Здесь силовой транзистор выключается в жестком режиме, как и при обычном переключении. Область объемного заряда, поддерживающая повышающееся напряжение на силовом транзисторе, распространяется вокруг глубокого p-n-перехода.

Электроны n-столбца текут в пределах своей области сгущения к n+-контакту, поток дырок устремлен вверх, в пределах своего столбца. Ни один из носителей не должен пересечь расширяющуюся область объемного заряда. Снова мы имеем только ток смещения, или, другими словами, ток и напряжение не в фазе внутри силового транзистора. На данной стадии нет никакой мощности рассеяния. Этот эффект делает CoolMOS наибыстрейшим переключающимся силовым транзистором с самыми низкими потерями при выключении. Транзистор быстро переключается, когда его активная область полностью освобождена от заряда обратного восстановления; он демонстрирует фактически полное отсутствие повышения напряжения на предыдущем интервале времени. Благодаря своей структуре, транзистор CoolMOS ожидает момента безопасного быстрого переключения! При частично удаленном заряде обратного восстановления воздействие напряжения dv/dt отсутствует.

P-столбец, который выровнен к области p-well и металлическим контактам терминала истока, имеет другой приятный эффект с точки зрения надежности работы в мостовом резонансном преобразователе: как показано на рис. 8, ток дырок не сосредоточен в искривленной шейной области p-well, подобно стандартной ячейке транзистора, а подходит непосредственно к металлическому контакту. Причиной данного поведения является то, что p- и n-столбцы создают горизонтальное электрическое поле глубоко внутри структуры транзистора, которое отделяет электроны и дырки. Поток дырок поэтому сосредоточен внутри p-колонки подобно световым лучам в лупе или сиропу в воронке. Благодаря этому силовой транзистор не подвергается боковым потокам дырок ниже n+-области истока, которые, как предполагается, запускают паразитный биполярный n-p-n-транзистор. Таким образом, транзистор CoolMOS не страдает от второй вышеупомянутой причины эксплуатационных отказов мостового резонансного преобразователя.

Рис. 8. Детальное представление CoolMOS-ячейки транзистора, иллюстрирующее сфокусированный поток дырок, протекающий вертикально вверх к металлическому контакту

Кроме того, транзистор CoolMOS способен выдерживать высокие значения di/dt при жестком переключении диода. Рис. 9 демонстрирует результаты измерения, близкие к 1000 A/мкс. Дальнейшие измерения до 3000 A/мкс были выполнены без отказа силового транзистора.

Рис. 9. Жесткое переключение внутреннего паразитного диода CoolMOS-транзистора при di/dt > 900 А/мкс и напряжении питания 380 В

Другие преимущества использования транзисторов CoolMOS в мостовом резонансном преобразователе

Мостовой резонансный преобразователь вполне универсален для достижения высокой плотности мощности. CoolMOS-транзистор — именно тот силовой компонент, который способен выполнить эту задачу, потому что он имеет низкое значение RDSon с высокой скоростью переключения. На рис. 10 представлены лучшие в своем классе изделия по сравнению со стандартными MOSFET-транзисторами и изделием-прототипом другой фирмы, который также основан на принципе компенсации.

Рис. 10. Ряд лучших в своем классе изделий из семейства 600- и 800-вольтовых CoolMOS-транзисторов

Другой важный аспект выбора силового транзистора — емкости переходов MOSFET-транзистора. Эти емкости заряжаются и разряжаются в каждом цикле, поэтому хотелось бы, чтобы в них запасалось как можно меньшее количество энергии, а переключение тока между транзисторами в диагонали моста происходило как можно мягче. Последнее требует наличия сильно нелинейной характеристики выходной емкости транзистора, поскольку при одном значении dv/dt для двух транзисторов моста транзистор с повышающимся на нем напряжением должен иметь очень большую емкость, в то время как транзистор с уменьшающимся напряжением должен иметь очень маленькую емкость. В этом случае ток, связанный с величиной dv/dt, велик для транзистора, который находится в состоянии переключения из открытого состояния (полной проводимости) в закрытое, и очень мал для транзистора, переходящего из закрытого состояния в состояние проводимости диода. Другими словами, сильно нелинейная емкость ослабила бы коммутацию тока.

Технология CoolMOS обеспечивает существенно нелинейную выходную емкость транзистора, поскольку от напряжения зависит не только ширина области объемного заряда (подобно обычным MOSFET-транзисторам), но и поверхность глубокого p-n-перехода.

На рис. 11 показаны некоторые экспериментальные результаты. Обратите внимание, что выходная емкость транзистора Coss идентична емкости между стоком и истоком силового транзистора Cds.

Рис. 11. Зависимость емкостей силового транзистора CoolMOS от напряжения

В пределах 40 В p-столбец становится обедненным, вызывая заметное снижение кривой Cds. Транзистор, выполненный по технологии CoolMOS, при высоком напряжении показывает существенно меньшую величину емкости, чем обычные транзисторы. Это достигается главным образом благодаря уменьшению кристалла. Следовательно, полная энергия, запасенная в выходной емкости транзистора, которая главным образом зависит от емкости при высоком напряжении, существенно ниже, чем в обычных транзисторах. На рис. 12 приведены интегральные характеристики.

Рис. 12. Сравнение запасенной в выходной емкости транзистора энергии для мощных MOSFET-транзисторов различных производителей

Из рисунка видно, что транзисторы CoolMOS при использовании типичных напряжений в диапазоне от 350 до 400 В запасают примерно на 50% меньше энергии, чем обычные. Это означает, что транзисторы CoolMOS в мостовых схемах при резонансном преобразовании работают при значительно сниженных уровнях тока.

Выводы

Благодаря свойственной ему оригинальной структуре, транзистор CoolMOS существенно снижает риск эксплуатационных отказов мостового резонансного преобразователя вследствие термической деструкции мощного MOSFET-транзистора.

Кроме того, силовой транзистор, с его небольшим типоразмером при данном значении RDSon и образцово низким значением потерь на переключение, может успешно применяться в преобразователях большой мощности. Благодаря низкой величине энергии, запасенной в выходной емкости транзистора, CoolMOS лучше других устройств подходит для применения в резонансных преобразователях и в мостовом преобразователе способствует мягкому переключению с верхнего на нижний транзистор и обратно.

Литература

  1. Saro L., Dierberger K., Redl R. High-voltage MOSFET behavior in softswitching converters: analysis and reliability improvements. Proc. INTELEC 1998. San Francisco. Oct. 1998.
  2. Fiel A.,Wu T. MOSFET failure modes in the zerovoltage-switched fullbridge Switching Mode Power Supply Applications. Proc. APEC 2001.
  3. Deboy G., Hancock J., Pьrschel M., Wahl U., Willmeroth A. Compensation devices solve failure mode of the phase shift ZVS bridge during lightload operation. Proc. APEC 2002. Dallas. April 2002.
  4. Deboy G.,Mдrz M., Stengl J.-P., Strack H., Tihanyi J., Weber H. A new generation of high voltage MOSFETs breaks the limit of silicon. Proc. IEDM98. San Francisco. Dec. 1998.
  5. Lorenz L., Deboy G., Knapp A.,Mдrz M. «CoolMOS™ — a new milestone in high voltage Power MOS». Proc. ISPSD 99. Toronto. May 1999.
  6. Deboy G., Schmitt M., Pьrschel M., Willmeroth A. Compensation devices versus power MOS and high speed IGBT — a device physics based guideline for the application / Invited paper. Proc. ESSDERC 2001. Nьrnberg. Sept. 2001.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке