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如何打造“不一样”的电源管理器件?

发布时间:2024-09-05 来源:贸泽电子 责任编辑:lina

【导读】在半导体领域,电源管理是一个很“卷”的市场,这是不争的事实。一方面,众多半导体厂商都在追求更高的效率、更紧凑的封装、更高的能量密度之路上狂奔,力求打造出更为“极致”的产品;而另一方面,传统硅(Si)基器件,已经越来越接近性能的天花板,从其身上可以榨取的附加值也越来越少。


在半导体领域,电源管理是一个很“卷”的市场,这是不争的事实。一方面,众多半导体厂商都在追求更高的效率、更紧凑的封装、更高的能量密度之路上狂奔,力求打造出更为“极致”的产品;而另一方面,传统硅(Si)基器件,已经越来越接近性能的天花板,从其身上可以榨取的附加值也越来越少。


在这样的大背景下,想要打造出具有差异化优势的、与众不同的电源管理器件,难度可想而知。不过,成功实现这样的目标,也并非无迹可寻,一般来讲有两个可选的路径:

寻找新的替代技术,实现器件性能的迭代升级。就电源管理领域而言,特别是在中高功率的应用中,第三代宽禁带半导体(如SiC和GaN)器件的开发和应用日趋火热,就是这个原因。各个厂商都想抢先在这个领域有所建树,利用性能上的代差优势,从传统硅基器件的“红海”中脱颖而出。


针对特定应用的优化,在某个细分领域确立优势。通过精准的产品定位,以及在性能上的精益求精,在依然庞大的硅基电源管理器件市场,这是一个重要的竞争策略。


对于上面两条路径,大家都心知肚明,可在现实的市场竞争中,谁能够走得通、走得好,则十分考验半导体厂商的市场洞察力和技术实力。在“打造差异化的电源管理产品”方面,Nexperia的表现就非常出色。他们是如何做到的?本文将带着大家做一番深入地探究。



向SiC技术升级




如前文所述,推动新一代的宽禁带半导体器件的开发,是功率半导体厂商确立差异化优势的关键着力点。这一点,在SiC器件的研发和应用上表现得尤为突出。


与传统的如Si材料相比,SiC具有全面的性能优势,如更宽的禁带(能隙)、更高的电场强度、更高的热导率等(如图1)。在诸多优势的加持下,SiC器件的性能提升也是全方位的:

  • 在相同额定电压下,SiC的介电击穿场强比Si基器件高10倍,且漂移层也更薄。因此,SiC器件的电阻率更低,热传导性能更优,与同级别额定电压的Si器件相比,芯片尺寸也可以做得更小。

  • SiC的热导率大约是Si基器件的3.5倍,这意味着单位芯片面积耗散的功率更多,热性能更佳。

  • SiC器件的工作温度可以高达Si基器件的两倍,这可为SiC器件带来额外的可靠性裕量,在遇到瞬态热冲击时表现出更优的性能。

  • 由于芯片尺寸更小,在特定电流和额定电压下,SiC器件固有的电容和相关电荷都会更低,加之SiC具有更高的电子饱和速度,因此SiC器件可实现比Si基器件更快的开关速度和更低的损耗。




如何打造“不一样”的电源管理器件?

图1:Si与4H-SiC材料的特性比较

(图源:Nexperia)




正是看到了SiC的巨大潜力,涌入这条赛道的半导体厂商也越来越多,相应的竞争也越来越激烈。这也就要求半导体厂商所开发的SiC器件,必须要有异于他人的“绝活”,才能立于不败之地。




深度优化的SiC肖特基二极管




在进入SiC这个新赛道时,大多数半导体厂商都会选择将SiC肖特基二极管作为切入点。这是因为SiC肖特基二极管结构和工艺相对简单,应用广泛,很适合作为SiC技术商用的敲门砖。


与类似的Si基功率二极管相比,SiC二极管中不会发生少数载流子积聚的现象,因此效率非常高,相应的散热要求较低,有助于实现更高的功率密度。同时,由于开关损耗低,SiC二极管可实现更高的开关频率,耗散的热量也较小,因此只需使用较简单的EMI滤波组件和更小巧的磁性组件,十分有利于在系统成本和外形上的优化。此外,SiC二极管还可耐受更高温度,具有更高的耐用性和可靠性。


可以说,相对于传统的Si功率二极管,SiC肖特基二极管在很多性能方面都具有“碾压式”的优势,不过这并不意味着其已经尽善尽美,比如与Si快速恢复二极管相比,SiC二极管的一些特性仍有待提高,这也为相关产品的差异化提供了空间。


在打造差异化的SiC二极管方面,Nexperia从设计和制造工艺上双管齐下,将器件的性能提升到了一个新高度。


具体来讲,在SiC二极管的设计上,Nexperia将肖特基二极管和P-N结二极管有效地并联在一起,形成了一种被称为“合并PiN肖特基(MPS)”的混合器件结构,由此带来的差异化优势是多方面的。


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图2:独特的MPS混合二极管结构

(图源:Nexperia)


减少漏电流


大家知道,金属-半导体接面的缺陷是SiC肖特基二极管漏电流的主要成因,虽然采用更厚的漂移层可减小漏电流,但也会提高电阻和热阻,不利于电源应用。而MPS混合二极管结构,在传统肖特基结构的漂移区内嵌入P掺杂区,与肖特基阳极的金属构成P型欧姆接触,并与轻度掺杂SiC漂移或外延层构成P-N结。在反向偏压下,P阱将“驱使”极高场强的通用区域向下移动到几乎没有缺陷的漂移层,远离有缺陷的金属势垒区域,从而减小总漏电流(如图3所示)。同时,正向压降会抵消漏电流和浪涌电流,因此在漏电流和漂移层厚度相同的情况下,MPS结构器件可在更高的击穿电压下运行。


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图3:在SiC肖特基二极管中添加P阱可使反向偏压下的极高场强区域远离阳极金属区域,从而减小总漏电流(图源:Nexperia)


提高浪涌电流稳健性


SiC器件的浪涌电流性能与其单极性和相对较高的漂移层电阻相关。正常运行时,MPS二极管的肖特基器件传导几乎所有电流,如同“纯”肖特基二极管那样有效运行,同时在开关期间提供相同的优势;而在高瞬态浪涌电流事件期间,通过MPS二极管的电压会超过内置P-N结二极管的开启电压,从而开始以更低的差分电阻传导。这样可以转移电流,同时限制耗散的功率,并缓解MPS二极管的热应力。而如果使用传统的肖特基二极管,应对同样级别的瞬时过流事件,则不得不选择尺寸超规格的器件。


改善反向恢复特性


反向恢复电荷是造成Si快速恢复二极管功率损耗的一个主要原因。而对于SiC二极管来说,只有多数载流子才会影响二极管的总电流,这意味着SiC二极管能够表现出几乎恒定的行为,几乎不会有Si快速恢复二极管那样的非线性性能。这使得开发者更容易预测出SiC器件的行为,而无需考虑各种环境温度和负载条件,为设计提供更大的便利性。


除了优化的器件结构,在工艺上,Nexperia通过打造创新的“薄型SiC”二极管结构,大大减少了芯片厚度,使得MPS二极管性能进一步提升。


从MPS二极管的结构来看,未经过处理的SiC衬底为N掺杂衬底,并会生长出SiC外延层,以形成漂移区。衬底初始的厚度可达500μm,但在形成外延后,会给背面金属的电流和热流路径增加额外的电阻和热阻,使得给定电流下的正向压降和结温变得更高。


对此,Nexperia的解决方案是通过特殊的工序,将衬底的底面“磨薄”,并保持厚度的均匀性——如果厚度不均匀,可能会降低二极管的性能,甚至导致现场应用中的器件失效。通过对材料质量和研磨精度的把控,Nexperia的“薄型SiC”技术可将衬底厚度减少到原来的三分之一。


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图4:薄型SiC工艺可显著提高二极管的电气性能和热性能(图源:Nexperia)




Nexperia的PSC1065K SiC肖特基二极管,就是基于MPS架构、采用“薄型SiC”工艺打造的器件。该SiC二极管采用R2P TO-220-2(SOT8021)通孔大功率塑料封装,具有与温度无关的电容关断、零恢复开关特性,以及出色的品质因数 (QC x VF),适用于各类超高性能、低损耗、高效电源转换应用。


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图5:PSC1065K SiC肖特基二极管

(图源:Nexperia)



与众不同的SiC MOSFET




在电源管理领域,除了功率二极管,SiC MOSFET也是各个厂商角逐的一个主赛场。这是因为,凭借高耐压、低导通电阻、高开关频率、高效率、小型化等优势,SiC MOSFET有望在诸多应用中替代原有的主流Si基器件(如MOSFET和IGBT),应用范围广,市场前景非常可观。


随着技术和市场的发展,今天SiC MOSFET领域的竞争也愈发激烈。想要从中胜出,参与竞争的SiC MOSFET器件,必须能够提供更为独特的功能,为用户带来其他竞品无法替代的价值。


在这个领域,Nexperia的招牌产品是其推出的1200V SiC MOSFET,其充分发挥出了SiC器件的优势,具有出色的温度稳定性和很高的开关速度,非常适合于大功率和高压工业应用。


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图6:Nexperia的1200V SiC MOSFET

(图源:Nexperia)




值得注意的是,在此基础上,这些SiC MOSFET产品体现出的四大差异化优势,更是锦上添花,让人过目不忘。



优势一:超低的RDS(ON)漂


对于典型的SiC器件,随着结温的升高,RDS(ON)在整个工作温度范围内通常会增加到1.6至2倍。而Nexperia的1200V SiC MOSFET,其RDS(ON)温度漂移仅为1.4倍。这意味着,与竞品相比,这种出色的温度稳定性可有效减少高温下导通损耗,这一优势特性对于电机驱动、充电基础设施、太阳能光伏、UPS等需要较高工作温度的应用,大有裨益。


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图7:Nexperia的SiC MOSFET具有超低RDS(ON)漂移(图源:Nexperia)


优势二:更低的阈值电压容差


MOSFET的阈值电压(Vth)是器件安全工作的一个重要指标,同时阈值电压容差也是一个不容忽视的相关关键参数,该参数表示指定的阈值电压的极小值和极大值之间的变化。低阈值电压容差,意味着可以在多个并联的SiC MOSFET之间实现高度对称的开关行为——这种并联设计是许多电源应用中的常见布局形式——通过“平衡的并联”减少单个器件的应力,进而增强电路性能并延长产品寿命。与类似的竞品相比,Nexperia的SiC MOSFET的阈值电压变化仅为1.2V,表现十分出众。


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图8:Nexperia的SiC MOSFET具有更低的阈值电压容差,有助于实现器件的平衡并联(图源:Nexperia)


优势三:优异的栅极电荷参数


对于SiC MOSFET来说,低栅极电荷 (QG) 可以降低开关操作期间的栅极驱动损耗,还有助于降低功耗和对栅极驱动器的其他要求。此外,栅漏电荷 (QGD) 和栅源电荷 (QGS) 之间的比率,也是考量器件稳定性的重要指标,如果QGD低于QGS,SiC MOSFET可提供更稳定的性能。Nexperia的1200V SiC MOSFET不仅具有低QG,而且还具有出色的QGD与QGS电荷比,这确保了其能够提供更低功耗、更出色的稳健性和更安全的开关性能。


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图9:Nexperia的SiC MOSFET具有较低的栅极电荷和电荷比(图源:Nexperia)


优势四:超低正向压降


SiC MOSFET通常用于具有高边和低边MOSFET的对称桥配置,即一个器件导通时另一个器件则关断。为防止发生潜在的破坏性短路,需要一定的“死区时间”(即两个器件都处于关断状态的短暂持续时间)。但即使在死区时间内,电流也会继续流过MOSFET的体二极管,并且产生的压降高于器件通道导通时的压降。也就是说,死区时间间隔内升高的压降会带来更高的功率损耗。Nexperia的1200V SiC MOSFET具有出色的体二极管稳健性,相较其他同类产品,具有更低的正向压降。因此,与其他具有相同工作条件和死区时间的器件相比,Nexperia的SiC MOSFET损耗要低得多。


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图10:Nexperia的SiC MOSFET具有更低的正向压降(图源:Nexperia)




总之,SiC MOSFET相对于Si基器件的优势已经众所周知,但随着越来越多SiC MOSFET产品的面市,想要在众多竞品中脱颖而出,也非易事。而Nexperia的SiC MOSFET器件,凭借超低RDS(on)漂移、超低阈值电压差、低栅极电荷和出色的栅极电荷比,以及超低正向压降等优势,找到了赢得差异化竞争的“密码”。


紧凑而高效的LCD偏压电源IC


如果说上文提到的两款Nexperia的SiC产品,是在技术迭代升级中寻求突破,那么下面这款产品则是选择了另一条差异化的路径,即“通过面向应用的优化,在细分市场上确立竞争优势”。


随着电子产品的智能化,使用显示屏的产品越来越多,以提供更佳的人机交互体验,这也推动了对于屏幕偏压驱动芯片需求的增长。针对这一市场需求,Nexperia推出了新一代的两路输出LCD偏压电源系列产品——NEX10000和NEX10001电源IC,它们集成了LDO稳压器、集成式升压转换器和负电荷泵,分别可以提供80mA和高达220mA的两路输出电流,提供稳定的屏幕显示。


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图11:NEX10000/1 LCD偏压电源IC

(图源:Nexperia)


为了获得差异化的优势,Nexperia的这两款IC在两个方面做了特别的优化:一是小型化,二是高效率。


在小型化方面,这两款器件均可用I2C编程两路电压输出,仅需一个电感器即可为两个输出端提供支持,并采用内部补偿,因此有助于减小PCB面积。此外,NEX10000/1采用紧凑的WLCSP15封装,外形尺寸仅为1.16 × 1.96 × 0.62mm,非常适合于在空间受限的设计中应用。


在低功耗方面,NEX10000/1内置了升压转换器,该转换器能够根据负载电流,在连续导通模式(CCM)和脉冲频率调制模式(PFM)之间切换,从而显著提升效率,降低器件的功耗,特别有利于电池供电设备的续航。


此外,这两款器件都支持2.7V至5V的输入电压范围,并具有出色的输入和负载瞬态响应,这些特性可减少输出纹波,从而为LCD提供更稳定的图像,更大限度地延长LCD的工作寿命,是智能手机、平板电脑、VR头显和LCD模块等产品的理想选择。


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图12:NEX10000/1主要特性和典型应用

(图源:Nexperia)


本文小结


综上所述,打造具有差异化优势的“不一样”的产品,是当下电源管理器件市场的竞争之道。无论是借助技术升级开疆扩土,还是在成熟市场中精耕细作,都是实现这一目标的有效途径,当然也是检验元器件厂商“功力”的命题。

文章来源:贸泽电子



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