在電源系統(tǒng)應(yīng)用中如何選擇COOLMOS

COOLMOS在電源上的應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模，英飛凌的產(chǎn)品已經(jīng)全為COOLMOS系列，做為電源工程師，在電源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中選用COOLMOS應(yīng)該注意什么呢？我簡(jiǎn)單的整理了幾點(diǎn)，發(fā)出來(lái)。拋磚引玉，爭(zhēng)取共同進(jìn)步。

COOLMOS與VDMOS的結(jié)構(gòu)差異

為了克服傳統(tǒng)MOS導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，一些人在VDMOS基礎(chǔ)上提出了一種新型的理想器件結(jié)構(gòu)，稱為超結(jié)器件或COOLMOS，COOLMOS的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由一些列的P型和N型半導(dǎo)體薄層交替排列組成。在截止態(tài)時(shí)，由于P型和N型層中的耗盡區(qū)電場(chǎng)產(chǎn)生相互補(bǔ)償效應(yīng)，使P型和N型層的摻雜濃度可以做的很高而不會(huì)引起器件擊穿電壓的下降。導(dǎo)通時(shí)，這種高濃度的摻雜可以使其導(dǎo)通電阻顯著下降，大約有兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因?yàn)檫@種特殊的結(jié)構(gòu)，使得COOLMOS的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的VDMOS。

對(duì)于常規(guī)VDMOS器件結(jié)構(gòu)， Rdson與BV這一對(duì)矛盾關(guān)系，要想提高BV，都是從減小EPI參雜濃度著手，但是外延層又是正向電流流通的通道，EPI參雜濃度減小了，電阻必然變大，Rdson就大了。Rdson直接決定著MOSFET單體的損耗大小。所以對(duì)于普通VDMOS，兩者矛盾不可調(diào)和，這就是常規(guī)VDMOS的局限性。

但是對(duì)于COOLMOS，這個(gè)矛盾就不那么明顯了。通過(guò)設(shè)置一個(gè)深入EPI的的P區(qū)，大大提高了BV，同時(shí)對(duì)Rdson上不產(chǎn)生影響。對(duì)于常規(guī)VDMOS，反向耐壓，主要靠的是N型EPI與body區(qū)界面的PN結(jié)，對(duì)于一個(gè)PN結(jié)，耐壓時(shí)主要靠的是耗盡區(qū)承受，耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)大小、耗盡區(qū)擴(kuò)展的寬度的面積。常規(guī)VDSMO，P body濃度要大于N EPI，大家也應(yīng)該清楚，PN結(jié)耗盡區(qū)主要向低參雜一側(cè)擴(kuò)散，所以此結(jié)構(gòu)下，P body區(qū)域一側(cè)，耗盡區(qū)擴(kuò)展很小，基本對(duì)承壓沒(méi)有多大貢獻(xiàn)，承壓主要是P body--N EPI在N型的一側(cè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度是逐漸變化的，越是靠近PN結(jié)面，電場(chǎng)強(qiáng)度E越大。對(duì)于COOLMOS結(jié)構(gòu)，由于設(shè)置了相對(duì)P body濃度低一些的P region區(qū)域，所以P區(qū)一側(cè)的耗盡區(qū)會(huì)大大擴(kuò)展，并且這個(gè)區(qū)域深入EPI中，造成了PN結(jié)兩側(cè)都能承受大的電壓，換句話說(shuō)，就是把峰值電場(chǎng)Ec由靠近器件表面，向器件內(nèi)部深入的區(qū)域移動(dòng)了。

COOLMOS在電源上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

1、通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小。

由于SJ-MOS的Rdson遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VDMOS，在系統(tǒng)電源類產(chǎn)品中SJ-MOS的導(dǎo)通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品上面的單體MOSFET的導(dǎo)通損耗，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率，SJ-MOS的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。

2、同等功率規(guī)格下封裝小，有利于功率密度的提高。

首先，同等電流以及電壓規(guī)格條件下，SJ-MOS的晶源面積要小于VDMOS工藝的晶源面積，這樣作為MOS的廠家，對(duì)于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來(lái)體積相對(duì)較小的產(chǎn)品，有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS的導(dǎo)通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗，因?yàn)檫@些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們?cè)趯?shí)際中往往會(huì)增加散熱器來(lái)降低MOS單體的溫升，使其保證在合適的溫度范圍內(nèi)。由于SJ-MOS可以有效的減少發(fā)熱量，減小了散熱器的體積，對(duì)于一些功率稍低的電源，甚至使用SJ-MOS后可以將散熱器徹底拿掉。有效的提高了系統(tǒng)電源類產(chǎn)品的功率密度。

3、柵電荷小，對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求降低。

傳統(tǒng)VDMOS的柵電荷相對(duì)較大，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到由于IC的驅(qū)動(dòng)能力不足造成的溫升問(wèn)題，部分產(chǎn)品在電路設(shè)計(jì)中為了增加IC的驅(qū)動(dòng)能力，確保MOSFET的快速導(dǎo)通，我們不得不增加推挽或其它類型的驅(qū)動(dòng)電路，從而增加了電路的復(fù)雜性。SJ-MOS的柵電容相對(duì)比較小，這樣就可以降低其對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。

4、節(jié)電容小，開(kāi)關(guān)速度加快，開(kāi)關(guān)損耗小。

由于SJ-MOS結(jié)構(gòu)的改變，其輸出的節(jié)電容也有較大的降低，從而降低了其導(dǎo)通及關(guān)斷過(guò)程中的損耗。

同時(shí)由于SJ-MOS柵電容也有了響應(yīng)的減小，電容充電時(shí)間變短，大大的提高了SJ-MOS的開(kāi)關(guān)速度。對(duì)于頻率固定的電源來(lái)說(shuō)，可以有效的降低其開(kāi)通及關(guān)斷損耗。提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。這一點(diǎn)尤其在頻率相對(duì)較高的電源上，效果更加明顯。

COOLMOS系統(tǒng)應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題

1、EMI可能超標(biāo)。

由于SJ-MOS擁有較小的寄生電容，造就了超級(jí)結(jié)MOSFET具有極快的開(kāi)關(guān)特性。因?yàn)檫@種快速開(kāi)關(guān)特性伴有極高的dv/dt和di/dt，會(huì)通過(guò)器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開(kāi)關(guān)性能。對(duì)于在現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，使用了超級(jí)結(jié)MOSFET，EMI干擾肯定會(huì)變大，對(duì)于本身設(shè)計(jì)余量比較小的電源板，在SJ-MOS在替換VDMOS的過(guò)程中肯定會(huì)出現(xiàn)EMI超標(biāo)的情況。

2、柵極震蕩。

功率MOSFET的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴，由于超級(jí)結(jié)MOSFET具有較高的開(kāi)關(guān)dv/dt。其震蕩現(xiàn)象會(huì)更加突出。這種震蕩在啟動(dòng)狀態(tài)、過(guò)載狀況和MOSFET并聯(lián)工作時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題，導(dǎo)致MOSFET失效的可能。

3、抗浪涌及耐壓能力差。

由于SJ-MOS的結(jié)構(gòu)原因，很多廠商的SJ-MOS在實(shí)際應(yīng)用推廣替代VDMOS的過(guò)程中，基本都出現(xiàn)過(guò)浪涌及耐壓測(cè)試不合格的情況。這種情況在通信電源及雷擊要求較高的電源產(chǎn)品上，表現(xiàn)的更為突出。這點(diǎn)必須引起我們的注意。

4、漏源極電壓尖峰比較大。

MOSFET目前使用的客戶主要是反激的電路拓?fù)洌捎诒旧黼娐返脑?，變壓器的漏感、散熱器接地、以及電源地線的處理等問(wèn)題，不可避免的要在MOSFET上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓尖峰。針對(duì)這樣的問(wèn)題，反激電源大多選用RCD SUNBER電路進(jìn)行吸收。由于SJ-MOS擁有較快的開(kāi)關(guān)速度，勢(shì)必會(huì)造成更高的VDS尖峰。如果反壓設(shè)計(jì)余量太小及漏感過(guò)大，更換SJ-MOS后，極有可能出現(xiàn)VD尖峰失效問(wèn)題。

5、紋波噪音差。

由于SJ-MOS擁有較高的dv/dt和di/dt，必然會(huì)將MOSFET的尖峰通過(guò)變壓器耦合到次級(jí)，直接造成輸出的電壓及電流的紋波增加。甚至造成電容的溫升失效問(wèn)題的產(chǎn)生。

目前市場(chǎng)上COOLMOS應(yīng)用及廠家相關(guān)信息收集

1、目前COOLMOS主要應(yīng)用范圍為高端LED電源、通信電源、個(gè)人電腦、筆記本電腦、上網(wǎng)本、手機(jī)、高壓氣體放電燈以及電視機(jī)(液晶或等離子電視機(jī))和游戲機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的電源或適配器等等。其主要應(yīng)用范圍為高壓段，在低壓段應(yīng)用不太明顯，但也有相應(yīng)的廠家在做中壓段，如AO公司。

2、目前COOLMOS類產(chǎn)品主要以Infineon一家獨(dú)大，占據(jù)市場(chǎng)比例比較多。當(dāng)然，除了Infineon以外，Toshiba、ST、NCE等廠家也都有COOLMOS產(chǎn)品在推廣應(yīng)用，但市場(chǎng)份額相對(duì)占的比較小。

3、由于Infineon Technologies的COOLMOS目前占據(jù)的市場(chǎng)份額比較大，我們就著重介紹一下Infineon Technologies的COOLMOS系統(tǒng)。Infineon 的COOLMOS主要有C3、CP、C6、CFD、 CFD2等系列。

C3系列是Infineon 早期應(yīng)用非常廣泛的COOLMOS系列

CP系列與C3系列相比其主要區(qū)別為其在開(kāi)關(guān)速度及導(dǎo)通電阻上更有優(yōu)勢(shì)。CP系列Infineon 推薦在PFC方面的PWM應(yīng)用。

C6系列為Infineon的第五代產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)論壇中部分工程師認(rèn)為C3的COST DOWN 版本。

CFD、 CFD2系列RDSON比C3系列稍大，但其在TRR特性較好，同時(shí)對(duì)其體二級(jí)管特性進(jìn)行了提高，這也是其FAE推薦客戶使用CFD2系列在LLC電路或橋式電路中(如HID燈)的緣由。