飞兆半导体的绿色电源系统解决方案 Michael Min 闵江威

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1 飞兆半导体的绿色电源系统解决方案 Michael Min 闵江威 michael.min@fairchildsemi.com
飞兆半导体技术行销部（深圳）

2 议程 飞兆半导体简介 飞兆半导体的绿色电源系统解决方案 高性能IGBT 超级结MOSFET 新的碳化硅晶体管解决方案 结论

3 飞兆半导体公司历史 1955年William Shockley 1957年飞兆半导体公司成立 1958年 首款平面型晶体管
1959年单片集成电路获得专利 1964年NPN平面型功率晶体管 1965年首款运算放大器 1967年首款标准TTL产品 1997年，飞兆半导体重组为独立公司 1999年，飞兆半导体收购三星电源设备部门

4 区域设计和制造中心 We are a global company with offices and employees worldwide. Our regional offices are located in key places to be able to support your design, and delivery needs. Global manufacturing, test and assembly sites support your need for quality, service and consistent supply. Manufacturing sites South Portland, Maine, USA Mountaintop, Pennsylvania, USA West Jordan, Utah, USA Bucheon, South Korea Assembly and test sites Cebu, Philippines Penang, Malaysia Suzhou, China 45个直销办事处，覆盖17个国家 遍布5大洲的技术销售中心提供设计支持 全球9500名员工 7个生产工厂和5个区域销售总部 2012年收入： 14亿美元

5 飞兆半导体提供完整的电源解决方案

6 分立式解决方案 - IGBT

7 飞兆半导体IGBT技术 场截止IGBT 各种技术的额定电压分布 特点与性能 高电流能力 低传导损耗和低开关损耗 正温度系数，易于并联运行
6” 100mm晶圆 特点与性能 高电流能力 低传导损耗和低开关损耗 正温度系数，易于并联运行 最大结温： Tj=175℃ 良好的一致性 更大的SOA（安全工作区） P+ 基板 n- P - 基极 n+ 发射极 集电极 栅极 PT x E FS平面 n WF 厚度 300um 200um 100um PT IGBT NPT IGBT FS IGBT P – 基极 p++ FS沟道 P-集电极 NPT IGBT技术 PT ：穿通 NPT ：非穿通 FS ：场截止 各种技术的额定电压分布

8 FS平面、FS沟道 - 重要特点、性能 600V场截止平面型IGBT 650V场截止沟道IGBT 重要特点与性能
低传导损耗和低开关损耗，适合工业应用 正温度系数，易于并联运行 最大结温： Tj=175℃ 高电流能力，最高75A 宽的SOA（安全工作区） 额外特点 重要特点与性能 更高的击穿电压(650V)，满足更高的客户要求 超薄晶圆技术，适合更低的Vce(sat)和中等开关速度 短路保护(SCWT > 5us ，25℃)

9 650V场截止沟道IGBT 超薄场截止沟道IGBT 场截止沟道IGBT技术创新 技术特点 更高的击穿电压： 650V
低饱和电压： Vce(sat) = 中等开关速度： Eoff = 25℃ 短路耐受时间： tsc > 5us，25℃时 最大结温： Tjmax=175℃ 正温度系数，易于并联运行 紧密的参数分布 更大的SOA（安全工作区） 应用领域 太阳能逆变器、UPS、电焊机、数码发电机 x E 发射极 P-集电极 n- P - 基极 n+ 集电极 栅极 n

10 600V和650V FS IGBT产品系列 FS平面 第一代 FS平面 第二代 -UF(D) : 低Vce(sat)
产品ID Vces [V] Vce(sat) 典型值 [V] Vf Typ. Ic @100degC[A] Eoff典型值 [uJ/A] 封装 FGH/P20N60UFD 600 1.8 1.9 20 13 TO220 / TO247 FGH/B20N60SFD 2.2 8 TO247 / D2PAK FGH40N60UF/UFD 1.95 40 12 TO247 FGH40N60SF/SFD 2.3 FGI40N60SF - I2PAK FGH80N60FD/FD2 2.3/1.2 FGH/A60N60UFD 2.0 60 14 TO247/ TO3PN FGH60N60SF/SFD 11 FGH75N60UF 75 18 FGH75N60SF FGH40N65UFD 650 FGB40N60SM 6.5 D2PAK FGH40N60SMD FGH60N60SMD 7.5 FGY75N60SMD 10 Power247 FGA30N65SMD 30 TO3PN FGA40N65SMD FGA60N65SMD FS平面 第一代 -UF(D) : 低Vce(sat) -SF(D) : 低Eoff FS平面 第二代 -SM(D) : 低Vce(sat) 和低Eoff，175C

11 650V/1200V沟道IGBT产品系列 -UPD: 低Vce(sat) - 1200V系列 部件编号 Vces [V]
* TO247LL: TO247长引脚(20mm) 部件编号 Vces [V] Vce(sat)典型值 Vf典型值 Ic @100oC [A] Eoff Typ. [μJ/A] PKG FGH30T65UPDT_F155 650 1.65 2.1 30 17 TO247LL* FGH40T65UPD 40 TO247 FGH50T65UPD 50 FGH75T65UPD 75 - 1200V系列 产品ID Bvces [V] Vce(sat) [V] VF [V] [A] Eoff典型值 [uJ/A] PKG FGH40T100SMD 1000 1.9 3.4 @ IF=40A 40 27 TO247 FGH40T120SMD 1200 1.8 3.8 FGH40T120SMD_F155 TO247LL* FGH25T120SMD_F155 @ IF=25A 25 FGH15T120SMD_F155 @ IF=15A 15 11

12 分立式解决方案 -MOSFET

13 EPI电阻是HV MOSFET中RDS(ON)的主要影响因素
普通HV MOSFET： 垂直DMOS RDS(ON)受硅片的影响 平面型 MOSFET 极 N Epi层 绝缘体 Rs Ra Rch N+ P+ P N+ 基板 金属 Repi Rsubstrate 源极 Rn+ EPI电阻是HV MOSFET中RDS(ON)的主要影响因素

14 降低EPI电阻 如何降低EPI电阻？ 硅限制： 直接： Repi ↓ → N Epi 层的厚度 ↓、掺杂浓度 ↑ → BV ↓
间接： Repi ↓ → 芯片尺寸↑ → Qg、封装尺寸、成本 ↑ 折中 Repi和BV 不可接受 硅限制：

15 超级结MOSFET技术 有没有办法获得较低的Rds(on)并保持较高的BV？？？ 突破硅限制： 超级结MOSFET
概念： 隔离导电区域与电压阻断区域。 导通状态下，重掺杂外延区域可确保导通电阻足够低。 关断状态下，夹断导电区域，充当电压持续层。

16 HV MOSFET技术趋势 - + 平面型 MOSFET 超级结MOSFET 电场斜率与掺杂浓度成正比。
A B 电场 Vd 平面型 MOSFET 超级结MOSFET + 耗尽区 - 电场斜率与掺杂浓度成正比。 满足p/n支柱电荷平衡条件时，电场斜率为零。

17 HV MOSFET技术趋势 - + 平面型 MOSFET 超级结MOSFET 耗尽宽度随漏极偏置升高而增大，同时保持三角电场的形状。
A B 电场 BV 平面型 MOSFET 超级结MOSFET + 耗尽区 - Vd 斜率 漂移掺杂 耗尽宽度随漏极偏置升高而增大，同时保持三角电场的形状。 漏极偏置为50V时，支柱区完全耗尽。

18 HV MOSFET技术趋势 - + 当最大电场达到Ec时，产生雪崩。 BV由掺杂浓度和厚度决定
A B 电场 BV + - 当最大电场达到Ec时，产生雪崩。 BV由掺杂浓度和厚度决定 BV由支柱宽度决定，因为BV可方便地通过Ec *支柱厚度而算得。 Ec 平面型 MOSFET 超级结MOSFET

19 SuperFET® II MOSFET 技术特点 SuperFET® II系列 SuperFET® II系列： 出色的开关性能
600V/650V超级结技术 较低的输出电容(Eoss)可获得轻载条件下较高的效率 较高的体二极管耐用性和较小的反向恢复电荷(Qrr)能为谐振转换器提供更可靠的系统 SuperFET® II系列 SuperFET® II系列： 出色的开关性能 针对SupreMOS® MOSFET 更高的开关速度可获得最大的系统效率 相比SupreMOS® MOSFET更低的dv/dt和di/dt 兼容PQFN88封装 SuperFET® II – Easy Drive系列： 优化开关性能 针对SuperFET® MOSFET 内置栅极电阻和优化的Cgd 便于设计 – 高电流时具有受控型dv/dt和di/dt 工作可靠 启动、负载瞬态和并联工作 Fast Recovery SuperFET® II系列 针对Fast recovery SuperFET®/SupreMOS® MOSFET 较小的Qr和Trr 较高的Vth 可获得较低的开关损耗 耐用的体二极管 谐振拓扑下能可靠工作 栅极 源极 P-支柱 DRAIN

20 SuperFET® II系列 SuperFET® II 系列 （快速SW） SuperFET® II Easy Drive系列 （慢速SW）
　技术 产品ID 封装 RDS(ON) 备注 [mΩ] SuperFET® II 系列 （快速SW） FCP190N60 TO220 199 FCP380N60 380 FCPF380N60 TO220F FCPF400N60 400 FCD600N60Z DPAK 600 在栅极并联齐纳保护 FCP600N60Z FCPF600N60Z FCU900N60Z IPAK短引脚 900 FCD900N60Z SuperFET® II Easy Drive系列 （慢速SW） FCH041N60E TO247 41 FCP190N60E TO220 190 FCPF190N60E TO220F FCP260N60E 260 FCPF260N60E FCD380N60E DPAK 380 FCP380N60E FCPF380N60E

21 分立式解决方案 - SiC BJT

22 碳化硅特性 碳化硅的主要属性 宽禁带 (3x Si) 高击穿场强 (10x Si) 高导热 (3x Si) 高温稳定性 (3x Si)
碳化硅优势 效率更高 (98%+) 器件更小 (>300 A/cm2) 开关速度更快 (<20 ns) 耐用且可靠 (UIL, SCSOA) 温度 效率 密度

23 具有飞兆半导体碳化硅BJT的行业领先性能
部件编号 产品说明 封装 25°C (mΩ) TJ Max = (˚C) FSICBH057A120 1200 V 20 A 高效率 TO247 57 175 FSICBH017A120 1200 V 50 A 高效率 17 1200 V 裸芯片 裸片

24 碳化硅与硅应用测试条件比较 IGBT - 版本 升压阶段 POUT = 2 KW VIN = 400 VDC VOUT = 800 VDC
例 1： 升压转换器 目标： 在实际应用中的性能比较（升压转换器） 这两种设计 (SiC & Si) 分别进行了优化，以获得相似电气性能。 IGBT - 版本 升压阶段 POUT = 2 KW VIN = 400 VDC VOUT = 800 VDC fSW = 25 KHz 碳化硅 - 版本 升压阶段 POUT = 2 KW VIN = 400 VDC VOUT = 800 VDC fSW = 72 KHz 例 2： 双脉冲测试 目标： 开关性能演示

25 尺寸对比 - 升压转换器PCB SiC BJT PCB具有更小的PCB尺寸和器件数 IGBT升压-转换器级 碳化硅BJT升压-转换器级

26 碳化硅BJT与IGBT效率比较 （不包括碳化硅BJT与IGBT的驱动器功耗）

27 结论 飞兆半导体的绿色电源系统解决方案 如需获得更多有关飞兆半导体的产品信息 www.fairchildsemi.com.cn
高性能IGBT 超级结MOSFET 新的碳化硅晶体管解决方案 如需获得更多有关飞兆半导体的产品信息

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