Особенности продуктов SGT MOS (MOSFET с экранированным затвором в траншее) 

I. Основные понятия

SGT = Shielded Gate Trench, MOSFET с экранированным затвором в траншее. Является усовершенствованной архитектурой традиционного MOSFET с траншеей (основной диапазон напряжений: 25–200 В, среднее и низкое напряжение). Ключевая инновация: внутреннее пространство траншеи разделено на верхний управляющий затвор и нижний экранирующий затвор (соединенный с истоком); за счет использования экранирующего затвора оптимизируется внутреннее электрическое поле, что позволяет преодолеть ограничения характеристик обычного траншевого MOS.

II. Шесть основных особенностей продукта

1. Чрезвычайно низкое значение FOM (с учетом как потерь в открытом состоянии, так и потерь при переключении)

FOM = Rds(on) × Qg (ключевой отраслевой показатель)

- При одинаковой площади чипа внутреннее сопротивление в включенном состоянии Rds(on) значительно ниже, чем у обычных транзисторов с канавкой, что обеспечивает меньшее тепловыделение в включенном состоянии;

- Экранирующая сетка значительно снижает ёмкость Миллера Cgd и заряд сетки Qg;

Главное преимущество: одновременная оптимизация потерь на проводимости и потерь при переключении, без ущерба для одного показателя в ущерб другому.

2. Превосходные высокочастотные характеристики, подходящие для высокочастотных импульсных источников питания

В обычных MOS-транзисторах с канавкой при работе на высоких частотах резко возрастают потери при переключении; в SGT-транзисторах емкость Миллера меньше, скорость переключения выше, а пики напряжения меньше.

Подходит для высокочастотных схем QR, LLC и синхронного выпрямления в диапазоне 300 кГц–1 МГц, то есть является оптимальным решением для адаптеров быстрой зарядки и адаптеров высокой плотности.

3. Более низкий уровень электромагнитных помех

На этапе отключения изменение dv/dt происходит более плавно, а колебания незначительны; в устройстве не требуется большого количества RC-демпфирующих цепей, что снижает затраты на периферийные компоненты и облегчает инженерам-специалистам по источникам питания прохождение испытаний на электромагнитную совместимость.

4. Более высокая плотность тока в микросхеме, что способствует созданию миниатюрных корпусов

При одинаковых требованиях к внутреннему сопротивлению площадь чипа SGT меньше, чем у традиционных чипов с канавками, более чем на 30%; он совместим с ультратонкими корпусами для поверхностного монтажа DFN5×6 и DFN3×3, что соответствует тенденции к уменьшению размеров и ультратонкости зарядных устройств и устройств «умного дома».

5. Простота управления, низкий риск случайного включения

Коэффициент Cgd/Cgs ниже, что снижает вероятность самопроводимости (ложного включения) при включении питания и в условиях помех; для стабильного управления достаточно обычного недорогого микросхемного ШИМ-драйвера, без необходимости использования сложных схем управления.

6. Выявление объективных недостатков

1. Большее количество технологических слоев, что приводит к более высокой стоимости по сравнению с обычными MOS-транзисторами с канавками;

2. Основной диапазон напряжений составляет до 200 В (среднее и низкое напряжение); не применяется в области высокого напряжения свыше 600 В (для высокого напряжения используются суперсоединённые MOS-транзисторы SJ);

3. Устойчивость к лавинным разрядам (EAS) у EAS, как правило, ниже, чем у старых плоских VDMOS; они не подходят для условий с частыми большими ударными токами.

III. Краткая таблица сравнительных характеристик

Технология изготовления устройств Основное назначение Преимущества Типичный диапазон частот Плоский VDMOS Технология предыдущего поколения Высокая устойчивость к лавинным разрядам Низкие частоты <100 кГц Обычный траншевый MOS Универсальный и экономичный Умеренная стоимость 100–300 кГц SGT (MOS с экранированным затвором) Высококачественные устройства среднего и низкого напряжения Низкое внутреннее сопротивление + низкий Qg, высокие высокочастотные характеристики, 300 кГц–1 МГц (высокочастотный диапазон) SJ-MOS с суперпереходом Решение для высокого напряжения, напряжение выше 600 В, первичная обмотка высоковольтных устройств

IV. Основные области применения

быстрая зарядка PD, зарядные устройства на основе галлиевого нитрида (переключение на первичной обмотке, синхронное выпрямление на вторичной обмотке).

Уборочные машины, высокочастотные адаптеры для «умного дома», источники питания для светодиодных ламп.

Приводы для бесщеточных двигателей BLDC (водонапорные насосы, вентиляторы, электроинструмент).

Плата защиты системы управления аккумуляторной батареей (BMS), автомобильный низковольтный преобразователь постоянного тока в постоянный ток.

Серверы, источники питания высокой плотности для систем связи.

V. Полное название SGT — «MOS с экранированным затвором и канавкой» (Shielded Gate Trench MOS) — это в настоящее время основная высокотехнологичная технология среди MOS-транзисторов среднего и низкого напряжения, предназначенная для высокочастотных источников питания.

На основе традиционного транзистора с каналом в канавке в него добавлен слой экранирующего затвора, что позволило заново оптимизировать распределение электрического поля внутри кремниевой подложки. По сравнению с обычным транзистором с каналом в канавке отмечаются два основных улучшения: во-первых, при одинаковых размерах сопротивление в открытом состоянии ниже, что снижает тепловыделение при длительном пропускании тока; во-вторых, значительное снижение емкости Миллера и заряда затвора, что приводит к заметному уменьшению потерь при высокочастотном переключении. Поэтому SGT идеально подходит для современных высокочастотных решений быстрой зарядки типа LLC и QR: он обеспечивает высокую скорость переключения, низкие пиковые напряжения и облегчает решение проблем электромагнитных помех (EMI), а также поддерживает компактный корпус DFN для поверхностного монтажа, что отвечает требованиям к тонкому и легкому дизайну зарядных устройств.

Однако при выборе типа транзистора необходимо учитывать определенные ограничения: диапазон преимуществ SGT — это среднее и низкое напряжение в пределах 25–200 В; для источников питания высокого напряжения (600 В и выше) по-прежнему следует использовать суперджунクションные MOS-транзисторы SJ. Кроме того, их стоимость выше, чем у обычных транзисторов с каналом в канавке, поэтому они подходят для проектов среднего и высокого уровня в области источников питания, где требуется высокий КПД, высокая частота и компактные размеры; для недорогих решений низкого уровня, работающих на промышленной частоте, более выгодным выбором являются обычные MOS-транзисторы с каналом в канавке.

Высокочастотные высокоэффективные источники питания среднего и низкого напряжения — предпочтительно использовать MOS-транзисторы SGT; для высокого напряжения следует выбирать суперджункционные транзисторы, а для условий с большими ударными нагрузками — плоскостные MOS-транзисторы.

VI. Низкочастотные сильные удары → плоские MOS-транзисторы.

Стандартный адаптер (≤300 кГц) → обычный MOS с канавкой.

Высокочастотная быстрая зарядка, LLC, компактные источники питания с высокой плотностью мощности → SGT MOS.

Высокое напряжение на первичной стороне свыше 600 В → MOS-транзисторы SJ с суперсоединением.