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系统并网技术 ★ 4.0

基于55 nm BCD平台的超级分栅LDMOS器件实现优化RSP与79.5% QGD降低,适用于高频xPU电源

Super Split-Gate LDMOS With Optimized RSP and 79.5% QGD Decrease on 55-nm BCD Platform for High-Frequency xPU Power Supply

作者 Dingxiang Ma · Ming Qiao · Yangjie Liao · Yixun Jiang · Jiawei Wang · Zhaoji Li
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年6月
技术分类 系统并网技术
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 超分裂栅LDMOS 击穿电压 比导通电阻 栅漏电荷 高频电源系统芯片
语言:

中文摘要

本文提出了一种基于55纳米BCD平台的超级分裂栅横向双扩散金属氧化物半导体(SSG LDMOS)器件,旨在克服击穿电压(BV)、比导通电阻($R_{SP}$)和栅漏电荷($Q_{GD}$)之间的折衷关系,同时满足高频功率片上系统(PwrSoC)应用的需求。该器件采用极短的栅极1以实现极低的$Q_{GD}$,并采用偏置的栅极2以实现低$R_{SP}$。测量数据证实,对于7 - 16伏的低压器件,$R_{SP}$和BV之间实现了最优折衷。值得注意的是,与传统的低$C_{GD}$ LDMOS相比,16伏SSG LDMOS的动态性能有了显著提升,包括在直流域中$Q_{GD}$降低了79.5%(降至0.186纳库/平方毫米),在交流域中,当漏极电压分别为0伏和16伏时,栅漏电容分别明显降低了89.1%和71.4%。这些改进直接有利于大电流直流 - 直流转换器的性能。采用基于BSIM4模型的SSG LDMOS进行仿真表明,对于一个5兆赫兹、输入电压$V_{in}$为12伏、输出电压$V_{out}$为1.8伏的转换器,可实现89.2%(在24安时)的效率。此外,测量得到的开关品质因数($R_{SP} \cdot Q_{GD}$)表明,SSG LDMOS相对于已报道的分立器件和现有的BCD技术具有显著优势。

English Abstract

In this article, the super split-gate LDMOS (SSG LDMOS) on 55-nm BCD platform is proposed to overcome the tradeoff relationship among breakdown voltage (BV), specific on-resistance ( R _ SP ), and gate-to-drain charge ( Q _ GD ), while satisfying the requirement of high-frequency power system-on-chip (PwrSoC) applications. This device has an ultrashort Gate1 to reach an extremely low Q _ GD and a biased Gate2 to achieve low R _ SP . Measured data confirm an optimal tradeoff between R _ SP and BV for 7–16-V low-voltage device. Significantly, compared with conventional low- C _ GD LDMOS, dynamic performances of 16-V SSG LDMOS show substantial improvements, including a 79.5% reduction in Q _ GD (0.186 nC/mm2) in dc domain and obvious decreases of 89.1% and 71.4% in gate-to-drain capacitance for 0- and 16-V drain voltage, respectively, in the ac domain. These improvements directly benefit high-current dc-dc converter performance. Employing BSIM4-modeled SSG LDMOS, the simulation demonstrates that the efficiency of 89.2% (at 24 A) is achieved for a 5-MHz V _ in~12 – V _ out~1.8 converter. Furthermore, the measured switching figure of merit ( R _ SP Q_ GD ) implies a significant superiority of SSG LDMOS over reported discrete devices and existing BCD technology.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于55纳米BCD平台的超级分栅LDMOS技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的双栅极结构,实现了击穿电压、导通电阻和栅漏电荷之间的优化平衡,这直接契合我们在光伏逆变器和储能变流器领域对高频、高效功率器件的迫切需求。

该器件在16V应用场景下实现79.5%的栅漏电荷降低和89.2%的转换效率(5MHz频率下),这对我们的产品竞争力提升意义重大。在光伏逆变器的DC-DC变换级和储能系统的双向变流器中,采用此类高频功率器件可显著减小磁性元件体积,提升功率密度,这与我们追求的高集成度、轻量化产品路线高度吻合。特别是在分布式光伏和户用储能领域,更紧凑的设计将直接转化为安装便利性和成本优势。

从技术成熟度评估,该器件已完成流片验证并展示出优异的开关品质因数,表明技术已达到可产业化阶段。55纳米BCD工艺的采用也意味着较好的成本可控性。然而,我们需要关注几个关键挑战:首先是7-16V的电压等级需要与我们现有的系统架构适配,可能需要在拓扑设计上做相应优化;其次是大规模量产的可靠性验证,特别是在光伏应用的宽温度范围和长寿命要求下的表现。

建议我们的技术团队深入评估该技术在新一代高频逆变器平台的集成可行性,特别是与SiC/GaN等宽禁带器件的协同应用场景,这可能为我们在高端市场开辟新的技术差异化路径。