TMBS整流器与传统整流器的比较及其对系统效率的影响
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摘要：本文将讨论业界第一款商用沟道式MOS势垒肖特基(tmbs)整流器的设计和制造工艺。这类器件可以与传统平面肖特基和超快恢复二极管的电气特性相媲美，具有相当于两种技术的优势。本文将对100V和200V整流器的TMBS器件的特征进行描述，在电信开关模式电源(SMPS)和DC-DC转换器应用中对200V TMBS器件进行评估，并分析和说明其对提高系统效率的影响。
引言
肖特基整流器通常是高频电子应用中的理想选择，因为它具有高开关速度和低正向(导通状态)压降的特点，但是直到最近，大多数应用的肖特基整流器都受到了低于100 V工作电压的限制。
其中部分原因是当反向阻断能力接近200V时，肖特基整流器的正向压降(VF)将接近PIN整流器的正向压降，使之在应用中的效率更低。为了适当地端接高反向电场，P型半导体保护环在正向导通模式下把少数载流子注入到N型漂移区。但这些载流子将导致高开关损耗，并在开关条件下减慢肖特基整流器的响应速度。
创新的沟道式MOS势垒肖特基(TMBS)整流器可以突破传统的平面肖特基器件的所有局限性，缘于它采用了新型边缘端接设计的Vishay沟道MOS专利技术，其结构如图1所示。图中wt、wm和Ht分别代表沟道宽度、硅细线宽度和沟道深度。
沟道MOS结构还可以实现漂移区的电荷耦合效应。如图2所示，左侧的x轴是硅表面，这里形成了肖特基势垒。TMBS结构的耦合效应把电场分布从线性变为非线性，并成功地改变电场分布，使较强的电场从肖特基金属硅界面转移到硅衬底。减少的表面电场将抑制势垒下降效应，显著减少一个给定肖特基势垒高度的泄漏电流。这将有助于降低所使用的肖特基势垒的高度，而不必牺牲反向泄漏性能，进而使正向导通状态下的压降有所下降。
器件特征描述
本节将对100V和200V TMBS整流器的器件特征进行描述，其结论可适用于其他电压的TMBS器件。
40A／100V TMBS的特征描述
与传统60 A整流器相比，40A／100V TMB s器件显示出更好的正向压降性能。TMBs器件的开关性能也更好。
200V TMBS的特征描述
通过与数据手册额定值为90A的标准平面肖特基整流器，以及来自领先功率半导体制造商的三种类型的额定值为30A的超快恢复二极管(UFRD)相比，在结温为+125℃，电流密度为180／cm2的相同条件下，200V TMBs器件的性能至少可以改善13％，性能对比曲线如图3所示。值得注意的是，由于UFRD在200V市场上占据统治地位，与相同尺寸的UFRD相比，在电流密度为180A／cm2(T1=+125℃)时，200V TMBS整流器的VF值有16％的改善，而其开关特性是相同的，具体的电气特性比较如表1所示。从表中可看到，在IF=15A，di／dt=200A／US，VR=200V及TJ=+125℃条件下，一个商用UFRD(2型)的反向恢复性能优于200V TMBs整流器，但在相同的电流密度180A／cm2下，其VF值要比200V TMBS器件高出近19％。
应用
本节将关注100V和200VTMBS整流器的应用，结论也可用作已的其他电压器件的参考。
为在实际应用中对比新型TMBS整流器与传统平面肖特基器件，本文进行了一系列实验，对TMBS器件及采用平面技术的肖特基整流器产品进行了测试分析。
350W／100V开关模式
电源(SMPS)
为了对100V应用进行评估，选择350W SMPS作为测试对象。对额定值为40A／100V的TMBS器件与额定值为20A／100V的标准肖特基整流器(MxxxxH100CT)，以及两个额定值为60A／100V(XXCTQ100和STxxxxH100CT)的同类器件进行比较。评估中的所有器件都采用标准TO-220封装。
评估结果如表2所示，可以看出，在输出67％(约235W)的满度额定功率水平下，额定值为20A的器件可实现最低78.3％的总电源效率，当用这类器件替代同一个电源插槽的额定值为60A的器件时，可观察到效率的提高。
120W／100V适配器
本文采用120W适配器测试了额定值为40A／100V(VTS40100CT)的TMBS整流器。这个应用的典型解决方案是一种同步整流方法，可以用两个40A／100VMOSFET以及一个匹配的驱动芯片来实现。测试数据如表3所示，在满度额定功率120W输出条件下，两个TMBS整流器可提供与更复杂、昂贵且不够坚固的同步整流解决方案相同为87％的总适配器效率。
1800W／200VSMPS
为进行200V应用的评估，对1800W AC-DC电信SMPS进行了测试。当测得30A／51V的直流输出电流时，与商用200V平面肖特基整流器相比，200V TMBs解决方案的效率可提高0.44％。这个SMPS使用了四个肖特基整流器，每个整流器都有一个共用负极，采用双整流器配置。与采用传统平面肖特基技术的1800W SMPS的硅利用率160cm2相比，TMBS解决方案总的硅利用率仅为0，73cm2(约为前者的46％)。表4所示为在+50℃恒温室内的测试结果。
200V电信DC-DC转换器
本文在200V条件下，对一个全砖48V输入、18A／32V输出的隔离式电信Dc－DC转换器进行了测试。这种Dc－DC转换器的拓扑结构由两个350kHz开关频率的正激式转换器组成，使用了四个200V额定值为30A的整流器。其中，UFRD 2型和3型器件是具有低于17ns TRR典型值的超快恢复整流器。
在+25℃的环境温度下，与这种应用中的超快恢复整流器相比，TMBS整流器的效率提高1％。这意味着TMBS器件与DC－DC转换器使用的超快恢复整流器相比可降低超过5w的功耗。到目前为止，通过对可用的商用器件进行测试，没有发现可以用于这个350kHz应用的平面肖特基整流器元件。
结语
与传统平面肖特基整流器相比，在100V条件下，TMBS器件可实现正向压降的改善，有更好的开关性能，以及合理的反向泄漏电压范围，且在高达200V的条件下仍具有以上优点。
TMBS产品设计的主要优势是它将平面肖特基器件表面的最大电场转移到沟道底部的外延内部的能力。这样可以抑制势垒下降效应，降低给定肖特基势垒的反向泄漏，意味着可以利用比平面肖特基整流器更低的电阻率和更低的势垒外延，实现相同的正向电压和开关增益。
应用分析显示，350W SMPS中的40A／100V器件具有更佳的节电性能，可以与120W适配器同步设计中的MOSFET的性能媲美。200V TMBS整流器是业界第一款能够在350kHz DC-DC转换器中使用并可与UFRD竞争的肖特基器件，有助于改善节能效果。