功率MOSFET寻求技术突破

上网时间: 2000年10月01日? 作者:Electronic Engineering Times? 我来评论 【字号: ? ?小】

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分立功率MOSFET供应商正在针对桌面和便携式产品、汽车应用制订下一代MOSFET器件的发展和技术规划。大多数方案可归为两类:在尺寸大致相同的封装中显著改善器件的性能;在性能相同或改善了的情况下减小封装尺寸。随着市场需求转向专用器件,并更加看重PCB单位空间里的器件性能,芯片制造商将研发的重点放在减小产品封装尺寸上。

功率MOSFET有三种基本类型:低于40V的产品(用于电池管理及DC/DC转换器);40V到200V的产品(用于DC/DC转换器、UPS电源及汽车应用等);大于200V的产品(用于开关电源、工业电机控制及电子整流器等)。未来MOSFET的发展趋势是:提高器件密度,增强电流和电压处理能力,以创新的封装方式最大化产品的工作效率。此外,无封装芯片技术也被首次应用于功率MOSFET中。

低/中压产品

低压产品领域涌现出许多新技术。其中之一是Intersil公司推出的Dense Trench系列30V N沟道MOSFET器件,该公司称此器件在低压和高效上实现了突破。“通过提高开关器件单元结构内的沟道密度(也就是说增加更多的晶体管),我们极大地提高了器件的转换效率。”Intersil公司分立功率器件分部总经理Russ Morcom称。据称该技术可将特定阻抗减小到0.18毫欧/cm2,该公司于近期推出首批样品。Intersil希望在一年内真正提高有效基片与封装尺寸的比率。

ST Microelectronics公司(ST)最近推出基于“单特性尺寸”工艺的第二代StripFET器件。采用这种工艺,剥离带宽度(width of the strip)成为影响MOSFET性能的最关键参数。与之形成对比的是,传统的功率MOSFET依赖于三个单元尺寸以及收缩单元几何尺寸,生产时需要更加复杂和成本更高的工艺。

功率MOSFET寻求技术突破_ESMCOL_1

通过采用一种特殊的“快速热扩散”工艺,ST公司NF系列的沟道周长比第一代StripFET器件提高了60%,从而具有更大的电流密度和更低的栅电荷。该公司推出的N沟道20V STV160NF02L器件和30V STV160NF03L器件的导通阻抗分别低于2.5和2.8毫欧,适用于电信设备上的高效DC/DC转换器。NF系列目前包含70种型号,具有N沟道和P沟道两种类型,额定电压从20V到100V,工作电流从2A到160A。

International Rectifier(IR)公司针对隔离和非隔离DC/DC转换器,设计开发出三个系列40多种功率MOSFET产品,分别是:适用于带2V以下输出的隔离DC/DC转换器的HEXFET系列;适用于工作频率在1MHz以上的非隔离多相转换器的MOSFET芯片组;适用于同步跳冲转换器的双FETKY器件系列。IR公司下一步计划针对1V以下高级微处理器中存在的供电问题,重点开发相关元件及封装技术。

在中电压范围,Vishay Intertechnology公司针对汽车应用推出TrenchFET系列产品,该系列包括85A、40V、导通电阻为3.5毫欧的N沟道器件和75A、55V、导通电阻为8毫欧的P沟道器件。该公司称后者适用于高端开关应用,由一片IC直接驱动,兼具MOSFET性能和使用方便的特性。

Fairchild Semiconductor公司(快捷半导体)将其PowerTrench技术扩展应用到200V器件上,并声称其用于电信设备的新款N沟道PowerTrench系列MOSFET在同类产品中速度最快。与平面MOSFET工艺相比,所采用的沟道“敞开单元”工艺可将栅电荷减少20%,导通电阻降低30%,

高电压产品

随着MOSFET在开关电源和工业系统领域的应用日益广泛,额定电压为800V的大功率产品开始批量供货。开关应用市场尤其需要一种用于PC、电信设备和大型机的AC/DC MOSFET(通常具有高击穿电压额定值)。

Infineon Technologies公司(亿恒科技)最近推出了600V和800V CoolMOS C2系列,据称与相同尺寸的芯片相比,其传导损耗降低了5个单位因子,开关损耗减小一半(在具有相同导通电阻的情况下)。

Advanced Power Technology公司(APT)在其Power MOS VI技术中融入了金属覆盖多晶硅专利结构。该公司称,他们推出导通电阻为50到200毫欧、额定漏电流为26到77A的大功率500V MOSFET系列器件。该产品的栅电荷和内部阻抗比同类型的多晶硅门器件要低一个数量级,与其它公司性能最接近的产品相比,相当于减少了35%的切换时间和20%的切换能耗。

ON Semiconductor公司(安森美)最近推出TMOS 7 E-FET系列400V到600V的MOSFET器件。据称与现有的高电压MOSFET器件相比,该系列的导通阻抗减小了30%且栅电荷更低。该系列采用SMT DPAK封装,设计用于桥电路,该公司称在桥电路中二极管速度和整流安全工作区域至关重要。

高电压产品方面值得一提的还包括IR公司推出的500V和600V HEXFET系列,它适用于采用零电压切换(ZVS)和硬切换(HS)转换器的离线开关电源。据称专用于ZVS的MOSFET器件带有反向恢复电荷,电荷量为标准MOSFET的一半;优化HS的MOSFET适用于提供高达1kW输出功率的转换器。“我们已开发出新一代先进的平面硅器件,导通电阻比工业标准降低了大约60%。”该公司SMPS产品分部技术市场经理Carl Blake称。

封装成为关键

封装正成为MOSFET产品中更加关键的部分。“单单改进硅基片,收效越来越不理想,封装将成为降低导通电阻的最重要的突破口。”安森美公司MOS Power Products分部市场经理John Trice表示。随着硅技术的改进,在影响器件导通电阻的因素中封装所占比率多达40%。因此,为提供更多的可用基片,并有效提高单元密度,产品开发方向在很大程度上集中于封装及布局结构上,其中的关键在于降低基片附着物的有效阻抗(通过使用撞击连接代替导线焊接,并且并行使用多条导线),以及去掉废弃的基片或者无用的封装空间。

快捷半导体公司推出的N沟道FDS706?A PowerTrench II产品首次采用了该公司无底Bottomless)封装技术,用于DC/DC转换器。该封装采用SO-8焊点球栅格(solder-bump ball-grid)排列方式,在底部露出基片,使基片与PCB/散热片直接接触,因此,该器件导通阻抗非常低(典型值4毫欧),同时结点到外壳的热阻抗低于1C/W。据称这些参数比现有的导线连接器件提高了20倍,与采用传统SO-8封装的相同基片相比,此技术可以将导通电流提高约60%。

另一新技术是Vishay公司的ChipFET,它将引脚连到封装的底部,增加了可用基片面积。

伴随FlipFET器件在六月份的推出,IR公司已将改进芯片封装列为下一步实施计划。其“基片即封装”技术特别针对大功率MOSFET,FlipFET是首款采用该技术的器件。IR公司称该器件的基片与占位面积的尺寸比可达到100%。虽然基片尺寸的上限及其它相关参数仍然未知,但这种芯片技术代表了向未来更高功率器件的有力尝试。

导通电阻介于数十毫欧到几欧之间、适用于电池管理等应用的“小信号”器件代表了封装领域的另一新突破。IR公司推出的四种P沟道12V和20V新型HEXFET器件便是其中之一。据称它们为TSSOP-8封装的器件提供了电源转换效率方面的新标准。TSSOP-8封装的体积比标准SO-8封装小35%。“新的封装形式可使设计工程师在最小的面积上达到所要求的产品性能。在设计中采用IR公司IRF7700/7701/7702/7750新器件,产品体积将更小、效率更高。”IR公司便携产品分部技术市场经理Jorge Llorends称。

其它小信号MOSFET产品包括Vishay的5款新器件,它们采用3引脚或6引脚SC-70封装,适用于负载切换或负载驱动等应用。该公司推出的Tx0206A和Tx0206AD(双管)系列中的N沟道和P沟道单管和双管MOSFET器件,额定工作电压为2.5V,应用时可使电池寿命达到最长。市面上的其它类似产品还有Rohm Electronics公司的双通道MOSFET器件。该器件采用超小型SOT-363封装,设计用于便携式电子设备,可由微处理器或其它IC直接驱动。

安森美也推出了用于便携式设备的MMDF4207系列P沟道功率MOSFET,该公司称这款P沟道器件的导通Rds性能与N沟道器件相近。MMDF4207采用SO-8封装,具有双MOSFET,应用范围包括电池断开切换、DC/DC转换器、线性整流器以及低压降调节器LDO等。

此外,Hitachi Semiconductor(日立半导体公司)推出了HAT1048R系列30V P沟道MOSFET,用于便携设备的电池管理。据称该器件具有业界最低的导通电阻,采用SOP-8 SMT封装,其Rds(on)典型值为5.5 毫欧(驱动电压为10V时),比上述其它产品小一半。日立称该器件的单元密度比其它产品高2.5倍。该系列还包括一款30V的HAT1051T器件,采用TSSOP-8封装,驱动电压4.5V时Rds(on)典型值为20毫欧;另一款为20V的双管器件HAT1054R,采用SOP-8封装,驱动电压4.5V时Rds(on)典型值为24毫欧。


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