Vicor Corporation · NASDAQ:VICR

Vicor — Technical Presentation (2019)

43 slides from Vicor's technical presentation, 2019

  1. Slide 1: 面向高效高密度开关电源的先进功率 MOSFET 技术及应用

    面向高效高密度开关电源的先进 功率 MOSFET 技术及应用 陈桥梁 博士 中国电源学会理事，专家委员会委员 ©2019 Vicor 1

  2. Slide 2: 开关电源技术发展追求的目标

    开关电源技术发展追求的目标 高功率密度 高效率 数据中心 服务器 电信设备 易维护 可靠性 成本 ©2019 Vicor 2

  3. Slide 3: 开关电源的功率密度要求

    开关电源的功率密度要求 40 Power Density 35 30 25 20 15 10 5 1 Year 2000 2005 2010 3

  4. Slide 4: 开关电源的技术驱动力

    开关电源的技术驱动力装换 [W/in3] 40 半导体器件技术 35 ？ 电路拓扑技术 30 功率密度 封装 / 散热技术 25 系统集成技术 封装 / 传热技术 20 系统功率构架 系统集成（无源 / 有 源） 15 功率半导体技术 10 系统功率构架 电路拓扑技术 5 1 4 2000 2005 2010 年 ©2019 Vicor

  5. Slide 5: 开关电源拓扑技术

    开关电源拓扑技术 FORWARD BRIDGE TYPE SINGLE SWITCH HALF BRIDGE TWO SWITCH FULL BRIDGE INTERLEAVED FB ZVS RESONANT 硬开关和软开关的 I-V 轨迹 ©2019 Vicor 5

  6. Slide 6: 交错并联 PFC (Interleaving)

    交错并联 PFC （ Interleaving ） reduced output reduced input-current ripple current ripple DM filter can be eliminated bulk capacitor size can be reduced VIN VO distributed magnetics improved thermal management 6

  7. Slide 7: 单级高频化光伏逆变器 (DC-AC)

    单级高频化光伏逆变器 (DC-AC) 200 – 500 208 or Vdc 240 Vac Unfolding PV Boost Buck Grid CL Circuit Line  Wide input voltage range frequency  Only one high frequency power processing stage • Boost or buck Ref.: Zheng Zhao, Ming Xu, Qiaoliang Chen, etc. “Derivation, Analysis, and Implementation of a Boost–Buck

  8. Slide 8: 单级高频化光伏逆变器 (DC-AC)

    单级高频化光伏逆变器 (DC-AC) Dboost Sboost Vin Boost mode: VPV < 0 Dboost 1  340 Vo(t) Sbuck Dbuck Buck mode: VPV > Vo(t) 0 Dbuck 1 8

  9. Slide 9: Refusol 光伏逆变器 (三相 20kW)

    Refusol 光伏逆变器 ( 三相 20kW) VDC V1 Va VPV /2 S1 Sa1 Sa3 Buck VPV La Buck V2 A a Va Vn Sa6 B 0 Sa5 N V3 Sa1 S2 Sa2 Sa4 V4 Sa3 & S1 Sa6 Always high 9

  10. Slide 10: Refusol 光伏逆变器 (三相 20kW)

    Refusol 光伏逆变器 ( 三相 20kW) VDC V1 Va Boost VPV /2 Mode S1 Sa1 Sa3 VPV La V2 A a Va Vn Sa6 B 0 Sa5 N V3 Sa1 S2 Sa2 Sa4 V4 Sa3 & S1 Sa6 Always high 10

  11. Slide 11: 我们需要什么样的功率器件

    我们需要什么样的功率器件 更低的 更高的电 更低的 Qg, RDSon 压等级 Qoss,Eoss Vce(sat) 更小的寄 生参数 更低的 更好的散 成本 更强的 EAS 能力 更紧凑的 热能力 …… 封装 更强的短 路能力 更强的耐 更优异的体 冲击能力 更容易驱 二极管 动 Qrr, trr, Irrm ©2019 Vicor 11

  12. Slide 12: 器件关键参数对比

    器件关键参数对比 2) RDSON 3) BVDSS 4) Qg 5) IAS 测试项目 1) VGSTH 备注 导通电阻 击穿电压 栅极电荷 雪崩电流 [V] [Ω] [V] [ nC ] [A] ID = 测试条件 VGS = 10.01 V ID = 250.1μA VGS=10V VGS=10V 250.1μA ID=2A(SJ)/ ID = 2.000 A L=500μH ID=4A(P) LSX65R930GT 4.0 0.80 718 13.6 6.5 超级结 L3 LSX65R950HT 3.6 0.86 680 7.6 9.5 超级结 L4 LND4N65 2.8 2.3 7

  13. Slide 13: VD MOSFET 芯片结构

    VD MOSFET 7 2544) VICOR

  14. Slide 14: 器件关键参数对比

    器件关键参数对比 电压等级 导通电阻 Typ. RDSon 总栅电荷 Qg 栅电荷 Qgs 栅电荷 Qgd 器件型号 (V) (Ω) (nC) (nC) (nC) XXX65R600CX 650 0.54 23 2.75 12 XXX65R380CX 650 0.34 39 4 20 XXX65R280CX 650 0.25 45 5 24 XXX65R190CX 650 0.17 73 8.9 38 XXX65R099CX 650 0.089 127 15 65 XXX65R070CX 650 0.063 170 20 85 XXX65R037CX 650 0.033 330 40 170

  15. Slide 15: 功率 MOSFET 的开通和关断损耗（简化模型）

    功率 MOSFET 的开通和关断损耗（简化模型） ©2019 Vicor 15

  16. Slide 16: 功率 MOSFET 损耗品质因数 FOM

    功率 MOSFET 损耗品质因数 Figure of merit(FOM) 假设 Qgd 主导开通损耗的情况 硬开关和软开关的 I-V 轨迹 QGS1 QGD QGS2 最小损耗求解： FOM=Qg×RDS(on)

  17. Slide 17: 功率 MOSFET 损耗品质因数 FOM

    功率 MOSFET 损耗品质因数 Figure of merit(FOM) Yucheng Ying, Device selection Criteria Based on Loss Modeling and Figure of Merit, CPES, Virginia tech.

  18. Slide 18: 功率 MOSFET 的开关损耗和导通损耗平衡

    功率 MOSFET 的开关损耗和导通损耗平衡 12 导通损耗 功率 MOSFET 功耗 (W) 10 开关损耗 总损耗 8 6 4 总损耗优化点 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Rdson (mΩ)

  19. Slide 19: 传统 VD MOS 和 SJ MOS 的剖面图对比

    传统 VD MOS 和 SJ MOS 的剖面图对比 传统 VD MOSFET Super Junction MOSFET Source Gate Source Source Gate Source n+ n+ n+ n+ p+ p+ p+ p+ n epi p n epi p n+ sub n+ sub Drain Drain SJ MOSFET Standard MOSFET Source Source Gate Gate n+ n+ p+ p+ nepi nepi p Drain n+ Drain n+ 19

  20. Slide 20: 特征导通电阻 Rsp 对比

    特征导通电阻 Rsp(=RDSon*Achip) 对比 30 25 VD MOSFET Ron x A ~ V(BR)DSS2.5 Rdson x Achip [W*mm2] 20 15 Si 普通 VDMOS 极限 10 5 超结 MOS Ron x A ~ V(BR)DSS1.17 0 400 500 600 700 800 900 1000 电压 MOSFET 的特征电阻 Rsp 与击穿电压 BVDSS 的关系 20

  21. Slide 21: Super-junction MOSFET 技术路径

    Super-junction MOSFET 技术路径 30 R DS （ on ） x Achip (mohm· cm2) 25L1 CoolMOS C6 20 L2 600V 平台 15 L3 15 L4 Trench Gate 降低 RspL5 CoolMOS C7 10 12.5 5 11 9 9 0 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

  22. Slide 22: 高压硅基 MOSFET 技术参数迭代

    高压硅基 MOSFET 技术参数迭代 电压等级 导通电阻 Typ. RDSon 总栅电荷 Qg 栅电荷 Qgs 栅电荷 Qgd 器件型号 (V) (Ω) (nC) (nC) (nC) FQA24N60 600 0.18 110 25 53 SPX20N60C3 600 0.16 87 11 33 IPX60R190C6 600 0.17 63 7.6 32 IPX60R199CP 600 0.18 32 8 11 IPX60R180C7 600 0.155 24 5 8 IPX60R180P7 600 0.145 25 6 8 ©2019 Vicor 22

  23. Slide 23: FOM 对比（VDMOS Vs. SJ MOS）

    FOM(=Qg*RDS(on)) 对比（ VDMOS Vs. SJ MOS ） 40 38 35 30 Rdson*Qg (Ω*nC) 25 22 20 15 10 10 5 0 VD MOSFET 1 VD MOSFET 2 SJ MOSFET 11A/600V 11A/600V 11A/600V ****12N60 ****12N60 LSD11N60 Qg=42nC Qg=26nC Qg=28nC Rdson=0.55Ω Rdson=0.53Ω Rdson=0.30Ω QFET UniFET Super Junction 23

  24. Slide 24: FOM 对比（SJ MOSFETs）

    FOM(=Qg*RDS(on)) 对比（ SJ MOSFETs ） 18 16.53 16 14 11.97 12 Rdson*Qg (Ω*nC) 10 8 6.368 6 4.32 4 2 0.374 0 CoolMOS Gen 1 C3 CoolMOS Gen 2 C6 Gen 2.5 CP CoolMOS Gen 3 C7 CoolMOS GaNMOSFET GaN HEMTs 600V/0.19Ω 600V/0.19Ω 600V/0.199Ω 600V/0.18Ω 600V/0.22Ω 24

  25. Slide 25: 高压 MOSFET 特性对比

    高压 MOSFET 特性对比 C3 C7 平面 VD MOSFET Super Junction MOSFET 开关过程对比（相同 Rdson ） 25

  26. Slide 26: 低压 MOSFET 技术演变及特性

    低压 MOSFET 技术演变及特性 SGT - Shielded Gate Trench ©2019 Vicor 26

  27. Slide 27: SGT MOSFET 技术特点

     栅电荷 Qg 下降 57% SGT MOSFET 技术特点  Miller 电荷下降 75% • 利用实现电荷平衡原理引入水平耗尽， 降低 Rsp ，提高击穿电压。 • 由于屏蔽栅的存在，极大降低了米勒 电容 Cgd ； • 栅极电荷小，开关损耗小，降低驱动 损耗，提高开关速度； • 特征导通 Rsp 电阻小；成本更低。 ©2019 Vicor 27

  28. Slide 28: 低压硅基 MOSFET 技术参数迭代（40V）

    低压硅基 MOSFET 技术参数迭代（ 40V ） 导通电阻 导通电阻 栅电荷 栅电荷 电压等级 总栅电荷 Qg 器件类型 器件型号 Typ. RDSon Max. RDSon 测试条件 Qgs Qgd 测试条件 (V) (mΩ) (mΩ) (nC) (nC) (nC) VGS = 10V, ID VDS = 20V, ID = 80A, Trench MOSFET FDP8440 40 1.64 2.2 = 80A 345 49 74 VGS = 10V VGS = 10V, ID VDS = 20V, ID = 100A, Trench MOSFET IRFB7440PbF 40 2 2.

  29. Slide 29: 低压硅基 MOSFET 技术参数迭代（100V）

    低压硅基 MOSFET 技术参数迭代（ 100V ） 导通电阻 导通电阻 总栅电荷 电压等级 栅电荷 Qgs 栅电荷 Qgd 器件类型 器件型号 Typ. RDSon Max. RDSon 测试条件 Qg 测试条件 (V) (nC) (nC) (mΩ) (mΩ) (nC) VGS = 10V, ID = VDS = 50V, ID = 75A, Trench MOSFET HUF75652G3 100 6.7 8 95A 211 26 74 VGS = 10V VGS = 10V, ID = VDS = 50V, ID = 58A, Trench MOSFET IRFB4410ZPbF 100

  30. Slide 30: 宽禁带器件

    宽禁带器件 30 Ref: ST_Breakthrough in Power Electronic SiC MOSFET & GaN HEMT

  31. Slide 31: SiC MOSFETs

    SiC MOSFETs Conventional Planer VICOR at the bottom of gat trench ©2019 Vicor 31

  32. Slide 32: 高压 Si/SiC 基 MOSFET 技术参数迭代

    高压 Si/SiC 基 MOSFET 技术参数迭代 600V/650V 导通电阻 导通电阻 反向恢复 反向恢复 反向恢复 开启电压 总栅电荷 栅电荷 栅电荷 体二极管压降 电压等级 Typ. Max. 器件类型 器件型号 测试条件 Vth Qg Qgs Qgd 测试条件 VF 测试条件 时间 trr 电荷 trr 电流 Irrm 测试条件 (V) RDSon RDSon (V) (nC) (nC) (nC) (V) (ns) (uC) (A) (Ω) (Ω) IF =20A, VGS = 10V, ID VDS = 300V, ID = Si MOSFET IXFR48N60P 600 0.1

  33. Slide 33: 高压 Si/SiC 基 MOSFET 技术参数迭代

    高压 Si/SiC 基 MOSFET 技术参数迭代 600V/650V 导通电阻 导通电阻 开启电压 总栅电荷 栅电荷 栅电荷 体二极管压降 反向恢复 反向恢复 反向恢复 电压等级 Typ. Max. 器件类型 器件型号 测试条件 Vth Qg Qgs Qgd 测试条件 VF 测试条件 时间 trr 电荷 trr 电流 Irrm 测试条件 (V) RDSon RDSon (V) (nC) (nC) (nC) (V) (ns) (uC) (A) (Ω) (Ω) IF =47A, VGS = 10V, VDS = 350V, ID = Si SJ MOSFET SPW47N60C3 600 0.0

  34. Slide 34: 高压 Si/SiC 基 MOSFET 技术参数迭代 900V

    高压 Si/SiC 基 MOSFET 技术参数迭代 900V 导通电阻 导通电阻 体二极管压 反向恢 反向恢 反向恢 开启电压 总栅电 栅电荷 栅电荷 电压等级 Typ. Max. 降 复时间 复电荷 复电流 器件类型 器件型号 (V) RDSon RDSon 测试条件 Vth 荷 Qg Qgs Qgd 测试条件 测试条件 测试条件 (V) (nC) (nC) VF trr trr Irrm (Ω) (Ω) (nC) (V) (ns) (uC) (A) VDS = 450V, ID IF =26A, VGS = 10V, Si MOSFET IXFB52N90P 900 0.16 ID = 2

  35. Slide 35: FOM 对比（SJ MOSFETs Vs GaN HEMTs）

    FOM 对比（ SJ MOSFETs Vs GaN HEMTs ） 18 16.53 16 14 11.97 12 Rdson*Qg (Ω*nC) 10 8 6.368 6 4.32 4 2 0.374 0 CoolMOS Gen 1 C3 CoolMOS Gen 2 C6 Gen 2.5 CP CoolMOS Gen 3 C7 CoolMOS GaNMOSFET GaN HEMTs 600V/0.19Ω 600V/0.19Ω 600V/0.199Ω 600V/0.18Ω 600V/0.22Ω 35

  36. Slide 36: SJ MOSFET 和 SiC MOSFET 开关特性对比

    SJ MOSFET 和 SiC MOSFET(SCT2120AF) 开关特性对比 图 : SiC MOSFET SCT2120AF 650V/120mOhm Qgs 测试波 图 : LSD20N60F Qgs 测试波形 形 通道 1: MOS 漏源电压 VDS( 黄色 , 100V/DIV); 通道 1: MOS 漏源电压 VDS( 黄色 , 100V/DIV); 通道 2: MOS 栅源电压 VGS( 绿色 , 5V/DIV); 通道 2: MOS 栅源电压 VGS( 绿色 , 5V/DIV); 通道 3: MOS 漏极电流 ID( 紫色 , 5A/DIV); 通道 3: MOS 漏极电流

  37. Slide 37: SiC MOSFET 体二极管反向恢复特性

    SiC MOSFET 体二极管反向恢复特性 SiC MOSFET 650V/120 mOhm SCT2120AF CH1: VDS 50V/div CH3: ISD 2A/div Time: 50ns/div diF/dt=100A/us VDD=50V IF=10A 37

  38. Slide 38: 超结 MOSFET 应用在图腾无桥 PFC 中的问题

    超结 MOSFET 应用在图腾无桥 PFC 中的问 题 MOSFET 体二极管 特性是制约因素 38 Eric Persson, Practical Application of 600 V GaN HEMTs in Power Electronics, IEEE APEC 2015

  39. Slide 39: 功率器件先进封装

    GD 功率器件先进封装 S • 更小的寄生电感 • 更紧凑的尺寸 • LSource 更好的散热能力 • 更大的电流承载能力 • 更高的可靠性 600V 电压等级器件各封装最低 Rdson ： 平面 MOSFET 超结 MOSFET 封装 Ω Ω TO-220F 0.45 0.045 TO-252 0.7 0.145 DFN5*6 0.36 DFN8*8 0.06 EPC eGaN® package DFN8*8 DFN5*6 GaNPX package ® <1nH ©2019 Vicor 39

  40. Slide 40: 集成化趋势

    集成化趋势 Control & Sensing Signals Thermal Energy Filter IPEM Passive IPEM Active IPEM Filter IPEM (DRAM) (CMOS Inverter) ©2019 Vicor 40 Ref: Dr. Fred C. LEE’s presentation, CPES, Virginia Tech.

  41. Slide 41: 集成化趋势

    Active IPEM 集成化趋势 SiC Diode MOSFET Gate Driver Gate Driver V ac • • C CoolMOS MOSFET PFC DC/DC 98 97.5 IPEM Efficiency (%) 97 96.5 Discrete 96 95.5 IPEM Discrete 95 150 170 190 210 230 250 Output Voltage (V) ©2019 Vicor 41 Ref: Dr. Fred C. LEE’s presentation, CPES, Virginia Tech.

  42. Slide 42: 集成化趋势

    集成化趋势 Product specifications Automatic Assembly Line ©2019 Vicor 42 Ref: Dr. Fred C. LEE’s presentation, CPES, Virginia Tech.

  43. Slide 43: Thanks for your attentions!

    Thanks for your attentions! VICOR

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