精简高效能电源供应凸显　高压MOS攻防战开打

精简高效能电源供应凸显　高压MOS攻防战开打

    
     高压MOSFET在节能意识高涨的市场环境下重要性日增，而以超接面技术制造的高压MOSFET，由于可较标准平面式MOSFET在相同单位面积内，实现更小的导通电阻，因而成为功率半导体组件业者竞相布局的重点。
    
    
    　 电源制造协会电源技术蓝图委员会联合主席暨Transphorm营销副总裁Carl Blake表示，市场对节能价值的重视，为电源供应业者带来新的挑战。
     随着以超接面(Super Junction)技术制造的高压金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)重要性与日俱增，相关功率半导体供货商间的竞争也日趋激烈，除不断推出更低导通电阻(RDS(0N))与切换损失的新一代方案外，日前更引发英飞凌(Infineon)与快捷(Fairchild)半导体专利诉讼纷争，让高压MOSFET市场弥漫一股浓厚火药味。
    
     此外，在今年2月于美国华盛顿特区举办的应用电力电子研讨会暨展览会(APEC)上，如何提高能源转换效率，进一步精简电源供应设计、降低整体物料清单(BOM)成本，持续成为市场关注焦点。
    
     电源制造协会(Power Sources Manufacturers Association, PSMA)电源技术蓝图委员会联合主席暨Transphorm营销副总裁Carl Blake在专题演讲中指出，在全球经济遭逢百年难得一见的挑战同时，市场对节能的需求也达到前所未有的高点，并对电源供应市场带来极大冲击。他同时预估，至2013年，交流对直流前端(AC-DC Front End)电源方案的功率密度将由2008年每立方英吋8～18瓦，增加至每立方英吋13～38瓦；转换效率则由88～94%，提升至92～96%；而每瓦的成本方面，则受到全球能源环保意识抬头，节能价值备受重视，虽首度呈现上扬局面，但至2013年仍将下滑至0.08～0.125美元(表1、图1)。
    
    

    
    
    
    
    
    

图1　1997～2013年AC-DC前端方案每瓦成本分析

    
    
    
    
     ST工业暨多重市场功率MOSFET部门技术营销经理Marc Laudani表示，超接面MOSFET在电源供应设计上的重要性与日俱增。
    
     为达成更高能源转换效率的使命，功率半导体组件设计业者无不卯足全力投入新产品与技术研发，其中，采用超接面技术所制造的高压MOSFET更是未来最被看好的明星技术。
    
     事实上，早在1999年，英飞凌即已率先推出首款采用超接面技术的商用高压MOSFET--CoolMOS；两年后，意法半导体(STMicroelectronics)也加入战局并推出第一代MDmesh功率MOSFET，同样也以超接面技术开发而成。随后，快捷与东芝(Toshiba)也分别于2004及2005年，先后发布名为SuperFET与DTMOS的首款超接面MOSFET方案。
    
     尽管超接面MOSFET已问世达10年之久，然而由于早年产品价格过高且市场需求未显，并未获得大量采用；如今，随着节能与精简电源供应设计的需求高涨，让超接面MOSFET产品行情看俏，市场渗透率也逐年增加。
    
     意法半导体工业暨多重市场功率MOSFET部门技术营销经理Marc Laudani表示，MOSFET在电源供应设计上举足轻重，尤其在电源转换效率欲由80%提升至90%以上时，更扮演极为关键的角色，左右着整体设计的效能良窳及电路板空间大小。而超接面MOSFET可较传统平面式(Planar)MOSFET在相同尺寸的裸晶(Die)上实现更低的导通电阻与切换损失，进而提升每单位面积的功率密度，在转换效率斤斤计较的市场环境中，更加突显其技术优势。目前，超接面MOSFET约占整体高压MOSFET市场20～25%的比重，预估在相关业者全力发展下，市场接受度将节节攀升。
    
     英飞凌工业与多元电子事业处资深主任工程师吴荣辉强调，原材料掌握度、裸晶设计与封装技术是高压MOSFET制造的成功关键。
    
     意法半导体APM大中华区功率MOSFET与整流器技术营销经理Gianfranco Calabro进一步指出，相较于现今市场上采用多颗分布式功率组件所组成的解决方案，电源供应系统开发人员仅须使用一颗超接面MOSFET即可达到相同转换效率，不仅BOM成本大幅降低，产品设计也可更为精简。虽然标准的平面式MOSFET方案仍将在小瓦数应用市场取得发展空间，但长期而言，超接面MOSFET的发展将势不可当。
    
    
    
     一般而言，MOSFET的额定电压与导通电阻成正比，亦即，额定电压愈高，造成裸晶尺寸愈大，导通电阻也会随之增加。因此，为了在相同或更小裸晶尺寸下，达到更高的电压耐受能力，同时降低导通电阻，即成为设计上最大的挑战。
    
     英飞凌工业与多元电子事业处资深主任工程师吴荣辉分析，超接面MOSFET技术虽较平面式MOSFET拥有更好的导通损失、切换速度与杂散电容表现，但实作上门坎甚高，尤其要在制程上增加P型掺杂(Doping)更是相当棘手(图2)，一方面要掌握原材料的物理特性，另一方面须具备裸晶层级的制程设计能力，同时封装与散热技术亦不可或缺，因而成为各家功率半导体制造商在市场上胜出的重要关键。
    
    
    
    
     然而，这看似简单的制程原理，实际上却隐藏着不少发展陷阱。英飞凌工业与多元电子事业处资深营销经理陈清源透露，超接面技术其实已发展多年，许多技术都已被市场先驱者掌握，专利回避空间愈来愈小，即便采用其它技术设计，效能上也未必理想。
    
     也因此，台面上虽然主要功率半导体业者均已开发出超接面MOSFET方案，但私底下彼此间的专利角力早已处于紧张状态，并随着超接面MOSFET市场的增温一触即发。
    
     日前英飞凌与快捷半导体间的专利诉讼即是一例。据2008年11月25日英飞凌发布新闻稿指出，快捷半导体的SuperFET、SuperMOS及PowerTrench、UltraFET、UniFET、DrMOS、IGBT等其它功率晶体管产品侵犯英飞凌技术专利。
    
     该公司副总裁暨工业及多重市场部门总经理Andreas Urschitz表示，在兴讼之前，快捷半导体原本正与英飞凌洽谈专利授权事宜，但显然的，在经过长期谈判后，双方仍无法透过正常商业管道达成合理的协议。他强调，英飞凌对于其智能财产的价值高度重视，因此当同业侵犯其硅智财时，该公司将会采取法律行动，积极保护硅智财权利与商业利益。
    
     另一方面，快捷半导体也不甘示弱，3天后，同样发布消息，反控英飞凌侵权，并向缅因州与达拉瓦州地方法院提出告诉，指控英飞凌CoolMOS和OptiMOS产品，以及其它IGBT和CanPAK产品系列，侵犯快捷半导体所拥有的八项专利技术中的一项以上。
    
     快捷半导体资深副总裁暨电源转换、工业和汽车方案部门总经理Justin Chiang疾言，对于这项专利之争该公司信心满满，并将据理力争，全力保护快捷半导体的智慧产权。
    
    
    
     就在英飞凌与快捷半导体因官司诉讼忙得焦头烂额之际，正好给了意法半导体绝佳发展良机，除打破市场标准，推出崩溃电压(Breakdown Voltage)高达650伏特的超接面高压MOSFET方案外，亦紧锣密鼓投入更新材料技术--碳化硅(SiC)的研发，厚实未来产品竞争力(图3)。
    
    
    
     Laudani指出，目前市场上的高压MOSFET，多半仅能达到600伏特的崩溃电压，而意法半导体日前所推出的第五代MDmesh高压MOSFET则突破此一限制，为研发工程师提供了更多的安全裕度(Safety Margin)，并可达到单位面积最小的导通电阻，相当适合如笔记型计算机的电源转换器、液晶显示器及电视机、灯光稳压器、电信设备、太阳能转换器(Inverter)及其它需要高压功率因子校正(PFC)的功率转换应用。特别是对环境温度可能低于摄氏零度以下的太阳能转换器而言，多出的50伏特崩溃电压，更在维持系统正常运作上带来极大帮助。
    
     不仅如此，由于新一代MDmesh高压MOSFET的关断波形更加平滑，因而可降低电磁干扰(EMI)，让闸极控制更加容易且滤波设计也更为简单。此外，Laudani也透露，意法半导体已着手进行SiC的研发，未来将可与超接合MOSFET产品互补，强化其功率半导体的产品组合。
    
     由于高压MOSFET达到1,000伏特后，各项特性表现便面临发展瓶颈，因此相关业者已纷纷改用SiC原材料来制造MOSFET或是藉由发展SiC的萧特基二极管(Schottky Diode)来降低对更高压MOSFET的依赖。如英飞凌所发表的JFET技术即是以SiC原材料做成的高压MOSFET。
    
     此外，英飞凌也于2月举行的应用电力电子研讨会上，发布第三代SiC萧特基二极管--thinQ!，在更高的切换频率与轻负载情况下，更能提升整体系统效率，有助于降低整体电源转换的系统成本。
    
     相较于整体MOSFET近50亿美元的市场规模，高压MOSFET虽仅占13亿美元的比重，却仍是功率半导体业者不能忽视的重要战场，尤其在能源转换率要求日益严苛的发展趋势下，高压MOSFET的重要性更不在言下。吴荣辉分析，目前市场上对转换效率的要求已由重载扩大至轻载/无载，而高压MOSFET正是影响这两种模式转换效率的核心组件。