整流器应用对比：商用TMBS与传统的对峙

引言

肖特基整流器通常是高频电子应用更为理想的选择，由于它们具有高开关速度和低正向(导通状态)压降，其低正向导通能量损耗非常关键。但是直到最近，大多数应用的硅基肖特基势垒整流器都受到了低于100 V的工作电压的限制。

一直以来，肖特基势垒整流器的反向阻断电压都受到了比200 V低得多的电压的限制。这部分地是由于当反向阻断能力接近200 V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型半导体保护环将在正向导通模式下把少数载流子注入到N型漂移区。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。

利用创新的沟道式MOS势垒肖特基(TMBS)整流器可以降低传统平面肖特基器件的所有局限性，这是由采用创新制造的边缘端接(edge termination)设计的新的Vishay沟道MOS(金属氧化物硅)专利技术创建的，如图1所示。

图1 采用新颖沟道端接设计的TMBS二极管的示意横截面。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，TMBS结构的耦合效应将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(silicon bulk)。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压降有所下降。

图2 沿半导体漂移区的TMBS与平面肖特基器件电场曲线的比较。左侧的X轴是硅表面，这里形成了肖特基势垒

Vishay发布的所有100 V、120 V、150 V和200 V TMBS整流器都采用了浅沟道(最深2.1 um)和薄氧化物厚度(最厚0.3 um)，它可以大幅度缩短沟道蚀刻制造所需的处理周期时间，因此可以提高制造工艺的吞吐量。

器件特征描述

本部分将仅涉及100 V和200 V TMBS整流器的器件特征描述，但是其结论可适用于其他电压的TMBS器件。

40 A/100 V TMBS的特征

与传统60 A整流器相比，40 A/100 V TMBS器件显示出了改善的正向压降性能，如图3a和3b所示。

图3a和3b TMBS和传统平面肖特基整流器的正向电压比较

TMBS器件的开关性能更好，如图4所示。

图4 TMBS和平面肖特基整流器的Trr曲线

200 V TMBS的特征

与数据手册额定值为90 A的行业标准平面肖特基势垒整流器，以及来自领先功率半导体制造商的三种类型的30 A额定值的超快恢复二极管(UFRD)相比，200 V TMBS器件显示了在结温为+125℃，电流密度为180/cm2的条件下，至少可以改善13 %(图5)。值得注意的是，由于UFRD在200 V市场上占有统治地位，与相同片芯尺寸的UFRD相比，在电流密度为180 A/cm2(在TJ = +125℃条件下)时，200 V TMBS整流器显示了16 %的VF 改善，而其开关特性都是相同的(表1)。在IF = 15 A，di/dt = 200 A/uS，VR = 200 V及TJ = +125℃条件下，观察到了一个商用UFRD(2型)优于200 V TMBS整流器的反向恢复性能，但是在180 A/cm2相同的电流密度下，VF 要比200 V TMBS器件高19 %。

图5 基准条件下(TJ = +125℃)200 V整流器的JF VF曲线

表1 200V整流器的电气特性比较 

200 V整流器比较

应用

如上述器件的特性一样，本部分将仅关注100 V和200 V的TMBS整流器，但是结论均可用作已发布的其他电压器件的参考。

为了在实际应用中对比新型TMBS整流器与传统平面肖特基器件，我们进行了一系列实验，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。

350 W/100 V SMPS

为了对100 V应用进行分析，使用了350 W开关模式电源(SMPS)作为测试对象。额定值为40 A的100 V TMBS器件与额定值为20 A的100 V行业标准肖特基整流器(MXXXXH100CT)，以及两个额定值为60 A/100 V(XXCTQ100和STXXXXH100CT)这类器件进行了比较。这个评估中的所有器件都采用标准TO-220封装。

如表2的结果所示，我们发现，在67 %输出(约235 W)的满度额定功率水平，额定20 A的器件可实现最低78.3 %的总电源效率。当用20 A的器件替代同一个电源插槽的额定60 A的器件时，观察到了效率的提高。

表2 350 W SMPS上的效率评估，TMBS整流器与行业标准平面肖特基产品的比较

120 W/100 V适配器

使用120 W适配器还测试了额定值为40 A和100 V(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40 A/100 V MOSFET以及一个匹配的驱动IC来实现。表3所示为测试得出的数据，在满度额定120 W输出条件下，两个TMBS整流器可以提供与比较复杂、比较昂贵和不够坚固的同步整流解决方案相同的87 %的总适配器效率。

表3 在120 W适配器上的效率评估。一个TMBS整流器对可以提供与同步整流解决方案相同的效率，后者采用了一个MOSFET对和驱动IC实现

1800 W/200 V SMPS

为了进行200 V应用的分析，对AC-DC电信1800 W SMPS进行了测试。当测得30 A/51 V DC输出电流时，与商用200 V平面肖特基整流器相比，200 V 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。与评估的采用传统平面肖特基技术的1.60 cm2 的1800 W SMPS相比，TMBS方法总的硅利用率为0.73 cm2(约为46 %)。表4所示为+50℃环境温度恒温室的测试结果。

表4 在+50℃环境温度下额定1800 W的SMPS上的TMBS、平面肖特基和UFRD之间的效率基准。所有样品均采用表1所示片芯尺寸的TO-247封装

200 V电信DC-DC转换器

在200 V条件下还对一个全砖48 V输入和18 A/32 V输出的隔离式电信DC-DC转换器进行了测试。这种DC-DC转换器拓扑结构由两个350 kHz开关频率的正激式转换器组成，使用了四个200 V额定30 A的整流器。UFRD 2型和3型器件是具有低于17 ns TRR典型值的超快恢复整流器。

在+25℃环境温度下，与这种应用中的超快恢复整流器相比，TMBS整流器能够提高1 %的效率。这意味着TMBS器件可以比这个DC-DC转换器使用的超快恢复整流器降低超过5 W的功耗。到目前为止，我们对可用的商用器件进行了测试，没有发现可以用于这个350 kHz应用的平面肖特基整流器元件。

表5 在+25℃环境温度下额定600 W的DC-DC转换器上的TMBS整流器和两个型号的UFRD之间的效率基准。所有样品均采用表1所示片芯尺寸的TO-263封装

结语

与传统平面肖特基整流器相比，TMBS器件可以在100 V条件下实现正向压降的改善，以及更好的开关性能，以及合理的反向泄漏电压范围，即使是在高达200 V的条件下。

TMBS产品设计的主要优势是其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。这样就可以抑制势垒下降效应，降低给定肖特基势垒的反向泄漏，这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，实现正向电压和开关增益。

应用分析显示，350 W SMPS中的100 V/40 A器件具有最佳的节电性能，可以与120 W适配器同步设计中MOSFET的性能媲美。200 V TMBS整流器是业界第一款能够在350 kHz DC-DC转换器中使用的可以与UFRD竞争的肖特基器件，有助于改善节能效果。

不论是器件特征描述还是应用，用于SMPS和DC-DC转换器的TMBS器件都是成本有效和坚固的解决方案。Vishay的TMBS系列可以提供100 V、120 V、150 V和200 V的电压，有各种封装规格可供使用，使这些器件成为了各种应用易于使用和理想的选择，包括笔记本电脑、LCD显示器/电视机、台式机/服务器和电信通信电源系统的适配器。