小小的電源開關(guān)可如何拯救世界(08-100)

　　那么，這些器件和理想開關(guān)之間的最大區(qū)別在哪里呢?首先，驅(qū)動實際開關(guān)需要一些能量。這個能量必需由柵極驅(qū)動器提供。由于MOSFET和IGBT都代表著電容性負(fù)載，利用柵極電容，驅(qū)動電壓和開關(guān)頻率可計算出所需的功率。雙極型晶體管需要一個基極電流，而在IGBT中，這由柵極電壓的溝道提供，并流入負(fù)載。由于這個功率可能相當(dāng)高，目前只在極少數(shù)情況下開關(guān)模式電源才采用雙極型晶體管。因為柵極是電容性負(fù)載，柵極驅(qū)動器在開關(guān)時可能產(chǎn)生高峰值電流。這些峰值電流與主要開關(guān)的開關(guān)速度直接有關(guān)，這種關(guān)系既有利也有弊。一般而言，由于器件在“線性”區(qū)域 (即在完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷之間) 花費的時間越來越少，故需要快速的開關(guān)，但電路中電流變化率dI/dt過快可能帶來有害的副作用，比如可能損壞開關(guān)或其它元件的高峰值電壓。此外，快速開關(guān)無可避免產(chǎn)生電磁輻射，為符合相關(guān)規(guī)范，這些輻射必需被過濾掉。

　　MOSFET或IGBT與理想開關(guān)的另一個區(qū)別是，它們的導(dǎo)通阻抗不是零，因此會產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。IGBT的情況更甚，器件上或多或少的恒定壓降都會在導(dǎo)通狀態(tài)產(chǎn)生損耗，在輕載時尤其嚴(yán)重。

　　第三個區(qū)別是，器件中的寄生電容會存儲能量，并正好在器件從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)時釋放能量，反之亦然。這些損耗可能相當(dāng)大，即使空載時也會產(chǎn)生功耗。

　　由于我們最初的目的是提高電源子系統(tǒng)的效率，故電源開關(guān)的影響最大，這三大效應(yīng) (柵極驅(qū)動、開關(guān)和導(dǎo)通損耗) 為我們提供了一條提高效率的路徑。那有什么新方法嗎?圖4顯示了從平面型到垂直和超結(jié)MOSFET等各種器件結(jié)構(gòu)上的路徑。

　　圖4 左圖為典型的平面型MOSFET，右圖是利用多外延層產(chǎn)生的超結(jié)MOSFET

　　不幸的是，摩爾定律在這里不再適用。由于光刻設(shè)備的改進(jìn)，器件結(jié)構(gòu)可被簡化，相同面積上可集成更多的有源晶體管。不過存在兩個限制效應(yīng)：首先，電場必須保持在一定強度之下，否則器件結(jié)構(gòu)會內(nèi)部擊穿。其次，若器件加壓過大，需要以受控方式吸收能量，這不僅需要特定的結(jié)構(gòu)，還得有足夠的硅體積以避免器件毀壞。