同步整流下功率场效应管的分析

同步整流技术就是用功率MOSFET代替普通二极管或者肖特基二极管进行整流,所以,研究同步整流技术,就必须首先深入地了解同步整流器件,即功率MOSFET。

不但应该深入研究功率MOSFET的导电特性,而且要基于其整流损耗模型,进行整流损耗分析。除此之外,对于大电流运行情况,同步整流技术的整流损耗是否总是优于肖特基二极管的整流损耗。

MOSFET为电压控制型器件,电压控制意味着对电场能的控制,故称作为电场效应晶体管。MOSFET是利用多数载流子导电的器件,因而又称之为单极性晶体管。MOSFET下的电压控制机理是利用栅极电压的大小来改变感应电场生成的导电沟道的厚度感生电荷的多少,来控制漏极电流Id的。当栅极电压Vg小于门槛电压Vth时,无论Vds的极性如何,两个PN结中,总有一个PN结是反向偏置的,因此漏极电流Id几乎为零,这种情况下形成耗尽层,MOSFET下不能导通。当栅极电压Vg大于门槛电压Vth时,漏极和源极之间形成N型沟道,由于N型沟道的电阻很小,故在漏源正电压Vd的作用下,电子从源极流向漏极,或者说,正电荷从漏极流向源极,这就是通常采用的MOSFET正向导电特性。

事实上,可以看出,栅极电压Vgs的作用仅仅是在于形成漏极和源极之间的N型导电沟道,而N型导电沟道相当于一个无极性的等效电阻。因而从理论上分若改变漏源极的电压极性,即漏源极加反向电压,电子会反向从漏极流向源正电荷将从源极流向漏极,实现MOSFET反向导电特性。从以上分析可知,MOSFET实际上是一个双向导电器件,只是在以往的应用中无须利用到反向导电特性,而形成MOSFET单向导电的一般概念。

在输出功率不大的芯片内,功率MOSFET一般就采用大宽长比的CMOS工艺来制作,但如果对要求大功率输出,特别是在耐压要求很高的情况下,片内功率管就需要采用VDMOS结构。VDMOS管能满足高达六七百伏的输入电压的要求,同时能够提供几十安培的工作电流。

VDMOS和Trench结构的纵向剖面图

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