用于CPU电源电路的功率开关管的功耗对比研究

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随着各种移动设备特别是电脑的普及率在逐年升高,科技发展对用于笔记本电脑中CPU开关电源中功率器件的性能提出了更高的要求,需要其具备更快的开关时间和更低的功耗。沟槽栅MOSFET在作为功率开关管已存在相当长的时间,近年来国际上业已开发出常闭型结型场效应管(e-JFET)用作开关电源电路中的开关管,并开始围绕e-JFET的性能进行改进研究,但尚未见到有公开发表的论文对于典型的e-JFET器件和沟槽栅MOSFET器件在功耗组成及对比方面进行详细的分析和优势比较。 因此根据需要本课题主要针对以下两点进行研究:一是对目前广泛使用的两种典型结构即沟槽栅MOSFET和e-JFET在不同工作频率下的功耗分布和总功耗进行定量的仿真和对比分析;二是在现有结构的e-JFET的基础上,提出创造性的改进,即把沟槽栅下的临近电极处的部分Si层替换为绝缘的且电容率仅为硅1/3的SiO2层,以此来减小栅沟PN结的面积和介质的电容率从而有效的减小栅—漏电容Cgd,进而降低开关时间,减小开关损耗,针对新结构器件,通过仿真得到其与现有结构器件在功耗上的具体的对比优势。为了达到以上两种实验目的,本文对开关电源电路的工作原理,功耗组成和分布,以及现有结构e-JFET和沟槽栅MOSFET以及本研究提出的新结构e-JFET的工作原理和功耗计算等方面进行了理论分析,并在此基础上运用ISE仿真工具对以上三种不同结构的器件在同等外部工作条件下进行了静态特性和开关特性的仿真对比。 结果显示,在工作频率为1MHz时,现有结构e-JFET比沟槽栅MOSFET在开关功耗上节省了大约23%,而总功耗上节省了约有29%;进一步对新结构e-JFET和现有结构e-JFET进行的功耗仿真对比数据显示,在开关功耗上前者节省18%,总功耗降低约6%。功耗仿真工作的完成和所得到的较为准确的实验结果对于当前功率开关器件的研究具备较高参考价值,同时为本课题随后的对于新结构器件的工艺仿真和样品制造打下了良好基础。
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