发布于：2007/4/5 9:27:56 | 389 次阅读
当今集成功率器件己在工业与军事以及家用电器等领域获得广泛应用，为此本文将从其应用特征角度对功率模块、功率MOSFET、IGBT及ESD保护器件作分析说明。
1、工业市场用集成功率模块的特征
通过在一个封装内组装多个半导体器件，功率模块有助于大功率应用实现可靠的集成化系统布局。下面是功率模块实现的拓扑实例：带反向并联二极管的单路或双路开关(功率MOSFET晶体管、IGBT双极晶体管)，即ISOTOP；半桥结构(包括两个开关及相应的二极管的逆变器桥臂)；三相逆变器(六个开关及相应的二极管，含一个整流器选件)。
这个模块化的电源管理解决方案被广泛用于以转换器和逆变器为基础的电源应用中，半导体市场不断要求提高芯片的集成度和开关性能。
电、热和机械特性是系统设计的关键参数。一个合理的功率开关系统设计是确保整个平台有效率操作的基本条件，与传统的分立器件相比，功率模块给客户带来很多好处，在优化电路板设计、降低制造成本的同时提高系统性能和可靠性。
因为模块化系统能够改进散热性，以及底衬特性和适当的裸片布局，通过较小的散热器的要求，可以进一步缩减最终系统的尺寸。
此外，通过专门设计，采用特殊的材料和组装系统，模块封装具有很强的抗机械应力(如振动、扭力等应力)和防环境污染性能。
IGBT功率模块
当今各制造厂商(如ST公司)正在扩大功率解决方案的产品范围，推出了一个基于新的IGBT和ESBT作动器的SEMITOP系列功率模块。
Power MESH IGBT和ESBT器件达到了产品的额定值和工业标准要求的特性，开关性能和应用强韧性十分优异。因为模块化系统特性，如DBC底衬、塑封设计、芯片布线和凝胶涂料，该解决方案在任何环境下都有的性能表现。
为实现基于三相逆变器的拓扑，个模块系列集成了新的IBGT技术。
IGBT模块产品特性与主要应用市场
带输入整流半桥选件的三相逆变器，更低的通态电压降(VCE(sat))和CRES／CIES比，超软超快恢复反向并联二极管，工作频率高达70kHz，新一代产品的参数分布公差小，单螺钉组装，芯片上无热点，强流模块可选择负温度系数电阻。
IGBT模块的主要应用市场有为电机驱动器与电源二领域。而电机驱动器包括VVVF逆变器与AC伺服设备及采暖通风空调；而电源包括开关电源与UPS。
关于功率模块演示板参考设计工具
功率模块演示板是可作为参考设计工具。例如SEMITOP2和SEMITOP3演示板(见图1所示)重点演示了采用电机控制功率模块的三相逆变器的优点。
SEMITOP2功率板的额定功率为1000W，SEMITOP3功率板的额定功率为3000W。这个演示系统由一个功率板和一个控制板组成，两块板子通过一个6线接口相连，确保电源与信号之间噪声的干扰很低，同时还是一个灵活可靠的参考设计解决方案。
功率板直接使用市电电源(因为板上装有倍压器，可以连接120V或220V市电)或使用外部直流电源，低压辅助电源也安装在功率板上，配合额定电压高于50VDC的应用工作。
这些电路板十分适合那些需要六步通信或六个信号PWM(正弦调制)输出的应用领域，包括：三相交流感应电机控制；三相交流／直流永磁电机或无刷电机(梯形信号驱动)控制；三相交流永磁电机或无刷电机(正弦曲线驱动)控制；单相和三相UPS。
2、简易的多功能FET(SAFeFET)无线电钻解决方案
通用电机、直流永磁电机和直流有刷电机在小家电(粉碎机、食品加工机、电剃须)和手持电动工具(电钻、锯台和刨机)中应用非常广泛。
对于单向电机操作，单开关斩波器配置是控制电机转速和扭矩的成本效益的解决方案。
新的简易的多功能FET系列产品能够提高便携式工具的系统性能，同时还能保持一个具有成本竞争力的解决方案的全部优点。内置的齐纳二极管使得ESD保护具有优异的抗；中击电压性能，同时内置主动电压钳位电路可受承重复性的感应开关电流，防止晶体管被击穿。
附加齐纳二极管网络
例如STP75NS04Z和STP62NS04Z内嵌栅极到源极和漏极到栅极的齐纳二极管网络。图2(a)为钳位全面保护式的简易的多功能FET内部电路示意图。其特性为：175℃工作温度；标准阈压驱动；100％雪崩测试；ESD保护及全面钳位保护式器件。如ST P 7 5 N S 0 4Z指标：ID为75A；BVdss为34V钳位；ROS 10V(mΩ)；环境温度25℃；封装TO-220。
简易的多功能FET在无线电钻中的应用
一台电钻的控制器是由五个非常简单的PWM组成，控制操作是在断续模式下分为七个步骤完成。在一步中，电机进入全速运转状态，功率MOSFET被一个机械开关短接。控制转速和扭矩没有采用反馈回路，该电路是在最恶劣的系统条件下接受测试评估的，即在转子止转(堵转)工况。该电路的电源是一个18V的直流电压，测试测量是在室温(25℃)进行的，器件安装在原来的位置。图2(b)为无线电钻电路示意图。
如上文所述，STP75NS04Z有一个主动钳位电路，在关断模式下，当漏极电压超过大约40V时，该主动钳位电路可使器件重新导通，图2( c)为STP75NS04Z的关断波形。因为漏极到栅极齐纳二极管的本征击穿电压(V2)低于BVDss，所以SAFeFET决不会被击穿，VDS电压将被限制在Vz值。标准二极管在某一个电压值时会出现雪崩现象，而这些功率MOSFET可以用于击穿电压比标准二极管低的工况，这样就可以使用低导通电阻的产品，这个优点可以降低操作过程中的传导损耗。
3、受到全面钳位保护的车用功率MOSFET
采用经过充分证明的网格覆盖带制造工艺，的受到全面钳位保护的简易的多功能FET器件在抗ESD性能和电特性方面具有非常出色的表现。这是不断地改进技术和工艺的结果。新系列简易的多功能FET采用两个独立的焊盘：一个用于连接栅极(Gp)，另一个用于齐纳二极管的连接端子(Gz)。在圆晶测试过程中使用两个绝缘的焊盘，可以在没有栅—源齐纳二极管的条件下，检查功率MOSFET的栅氧化层的一致性(1gss)。当组装时，这些器件只有一个栅引脚。图3为受钳位保护器件的电布局。
独特之处
因为内置的栅极-源极和栅极漏极齐纳二极管，这些器件能够承受重复感应开关电流，防止器件被击穿。因为没有受到应力，所以这些器件提高了整个应用的可靠性和使用寿命。BVDss对温度的优异稳定性，确保齐纳二极管在整个工作温度范围内都具有很高的稳定性。
特性与应用
强流开关操作；175℃工作温度；受全面保护的器件；标准的VGS(th)数值；100％雪崩测试；8kVHBM静电放电保护；汽车级元器件；改进的RDS(on)x区域；钳位电压在整个工作温度范围内极其稳定，可在电磁阀驱动器、耐线性模式操作与电机控制方面上应用。
4、抗辐射的功率MOSFET-新系列高可靠性航天用功率MOSFET
卫星和空间站中使用的电子元器件不断受到大量的太空射线的辐射。在太空中有一个高能粒子通过后，高强度的电子空穴对会严重破坏半导体元器件，引起软／硬错误。
太空耐辐射测试使用的辐射装置涵盖不同的辐射性质，如伽玛射线、电子束和离子束，这些离子束是：总离子化剂量(TID)-y射线100krad(Si)；单粒子效应(SEE)重离子辐射LET=37E=250MeV溴容许目标。
抗辐射的功率MOSFET晶体管
正在扩展抗辐射的功率MOSFET晶体管的产品组合，有以下两个新系列产品：
N沟道60V，1OOV，200V和50V器件；P沟道60V，100V和200V器件。
这些产品具有很高抗辐射性和可靠性，适合卫星相关应用领域。产品用于卫星等高可靠性应用设备中的直流—直流转换器、电机控制逆变器、信道放大器、电子动力调节器，采用完全隔离的密闭封装。产品提供多种封装选择，包括SMD-05贴面封装和用于更小裸片的TO-39封装，以及TO-257AA和用于较大裸片的TO-254AA。
抗辐射技术的特性
准确预测器件在太空中的使用寿命和可靠性是航天产品的强制性要求，这个技术领域的科学家开发出了评估电子元器件的抗辐射性的技术方法。为降低总离子化剂量(TID)风险性而改进的栅氧化层工艺；为改进单粒子效应欠压(SEB)／单粒子栅穿容许度(SEG日)而设计的漏极工程结构；为提高TI容许度和实现SEGR／TID平衡而设计的备用栅结构。
抗辐射的功率MOSFET晶体管的特性
低电阻封装，隔离密密封装，防单粒子效应(SEE)，高TID性能，高SEB耐压性能，低RDS(on)，快速开关 。
5、用于计算机应用的高性能30V功率MOSFET晶体管
用于计算机应用的高性性30V功率MOSFET晶体管随着计算机应用的不断进步以及高性能微处理器的问世，主板设计工程师开始将注意力转移到能够在最极端的电气条件下工作的新型电子元器件上。
主要用于直流—直流转换器的功率MOSFET晶体管也在不断地改进自身的主要特性，为满足迫切的市场需求，正在通过推出新的30V“N”，系列产品来扩大现有的产品阵容。
改进性能
这些新的功率MOSFET晶体管是为直流—直流转换器专门设计的(CPU、非CPU和内存)。
“N”系列器件必须达到设计工程师要求的功率和能效条件，以保证直流—直流转换器和主板具有最出色的特性。
直流—直流转换器的开关频率是最重要的要求之一，随着现有平台(过去的设计)升级换代，开关频率也在逐渐提高。
因此，新产品实现了更高的转换效率，这在一方面有助于降低总功耗，但是，另一方面还会造成节点相位的阻尼振荡峰压升高，同步FET晶体管的寄生电感是产生这种现象的原因，所以，设计工程师选择BVDss电压的趋势从24V向30V转移。
产品特性和优点
新的30V功率MOSFET器件的优异性能归功于：低RDS(on)电阻，10V时阻值10mΩ-5.5mΩ；高频经过优化；50A到80A强电流；专门为计算机和外设应用优化；整合技术；DPAK和IPAK封装，这是最适合的封装解决方案，目前被计算机客户广泛用于台式机。
6、用于600V和1200V电磁感应加热设备的高性能GBT晶体管
因为能源效率高，无焰安全加热，反应速度快，电磁炉越来越受到市场欢迎。为了控制谐振逆变器的工作，S新推出一系列开关和传导性能优化的高强度IGBT晶体管，新产品应用锁定在电磁炉、微波炉和电饭煲。如STGW30NCl20HD。
新产品STGW30NCl20HD采用T0-247封装，针对单开关拓扑(见图4所示)的电磁感应加热应用优化了开关速度。在电磁炉中，功率开关控制供给到加热线圈的电流，根据安培定律，电流在线圈周围产生一个高频磁场，磁场在导体(如锅具)接触面感应出一股涡流，根据焦尔效应，涡流加热电饭锅。
IGBT晶体管的PowerMESH是一项非常成熟的技术，当温度升高也能够有效降低静态损耗，为简化电路设计，减少组件数量，该产品还在封装内集成一个续流二极管。
主要特性
传导损耗与开关损耗实现平衡；抗交叉传导现象；电参数分布公差小；低输入电容(驱动更容易)；栅电荷最小化；与优化续流二极管共用封装。
STGW30NCl20HD与其它产品性能对比。(STGW30NCl20HD的标频率为20KHz，Bvces为1200V，IC(在100℃时)为30A，VCE(在100℃时) 为1.9V，tf(25℃时为355ns)在一个1800W的电磁炉(TCL TCl 8A)内对STGW30NCl20HD和英飞凌的IHW20T120进行了性能对比，测试结果显示，ST的1200VIGBT的外壳温度几乎与最出色的竞争产品不相上下。
多锅系统中的半桥配置
在多锅系统通常使用的半桥配置中，600V超快速系列适合中频电磁炉应用，同时，把工作频率提高一倍的新发展趋势需要一个开关速度更快的元器件，如超高速系列产品。
7、消费设备HDMI端口专用超宽带ESD保护器件
随着显示器分辨率、色深越来越高以及电视数字化程度加深，消费设备的数据速率最近几年得到大幅度提高，设备连接涉及的敏感器件要求静电放电(ESD)保护功能不得影响信号的完整性。 高清多媒体接口(HDMl)用于高速传输数字音视频信号，该接口集成的ICs对ESD十分敏感，因此，保护ICs同时对信号保持透明是设HDMl接口的基本条件。 在推出DVI端口专用的DVIULC6-4SC6后，新产品HDMULC6使ST的保护器件的种 类得到进一步扩大，新产品具有优异的ESD保护功能，超高截止频率确保超高速率传输信号的完整性。目前，15kVESD保护功能适用于高速数字多媒体连接。
HDMIUlC6-4SC6拓扑与主要优点
HDMI含义是指通过差分线对在两个消费设备(电视机和机顶盒)之间高速(高达7.65Gb／s)传输数字电视音视频信号。这个新器件是一个轨对轨拓扑，可以保护4条数据线路，免受正负浪涌电压的冲击。
HDMIULC6-4SC6主要特性
HDMIULC6-4SC6符合最严格的IEC6 1000-4-24级ESD标准，这意味着该器件可以承受15kV以上的空气放电和8kV接触放电电压。对HDMIULC6-4SC6进行了严格的测试，测试结果显示，该器件甚至可以承受更高的放电电压。HDMIULC6-4SC6的线路电容极低，仅为0.6pF，这意味着该器件是市场上截止频率的产品(>5GHz)，能够满足HDMI的所有需求，提前完成产品的升级换代。图5(a)为含有HDMIUlC6-4SC6 ESD保护器件的HDMI应用电路示意图。该器件不影响信号的上升和下降时间，严格符合HDMI规范，能够全面保护端口，同时对信号链接性能保持透明。图5(b)为HDMI频响特性曲线。
超宽带宽意味着该器件几乎不会影响任何主要特性，如沿差分线对的对内偏斜和对外偏斜。而其优点是：HDMIULC6—4SC6让高速串行数据线路在保护与性能之间实现平衡，在保护数据完整性的同时，不会影响上时间以及线对偏斜。该产品的特点是信号均衡、低漏电流、市场上异的保护性能、防护最强大的ESD浪涌电压。
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