在电源系统应用中如何选择COOLMOS

COOLMOS 在电源上的应用已经初具规模，英飞凌的产品已经全为COOLMOS系列，做为电源工程师，在电源开发的过程中选用COOLMOS应该注意什么呢？我简单的整理了几点，发出来。抛砖引玉，争取共同进步。

COOLMOS与VDMOS的结构差异

为了克服传统MOS导通电阻与击穿电压之间的矛盾，一些人在VDMOS基础上提出了一种新型的理想器件结构，称为超结器件或COOLMOS，COOLMOS的结构如图2所示，其由一些列的P型和N型半导体薄层交替排列组成。在截止态时，由于P型和N型层中的耗尽区电场产生相互补偿效应，使P型和N型层的掺杂浓度可以做的很高而不会引起器件击穿电压的下降。导通时，这种高浓度的掺杂可以使其导通电阻显著下降，大约有两个数量级。因为这种特殊的结构，使得COOLMOS的性能优于传统的VDMOS。

对于常规VDMOS器件结构， Rdson与BV这一对矛盾关系，要想提高BV，都是从减小EPI参杂浓度着手，但是外延层又是正向电流流通的通道，EPI参杂浓度减小了，电阻必然变大，Rdson就大了。Rdson直接决定着MOSFET单体的损耗大小。所以对于普通VDMOS，两者矛盾不可调和，这就是常规VDMOS的局限性。

但是对于COOLMOS，这个矛盾就不那么明显了。通过设置一个深入EPI的的P区，大大提高了BV，同时对Rdson上不产生影响。对于常规VDMOS，反向耐压，主要靠的是N型EPI与body区界面的PN结，对于一个PN结，耐压时主要靠的是耗尽区承受，耗尽区内的电场大小、耗尽区扩展的宽度的面积。常规VDSMO，P body浓度要大于N EPI，大家也应该清楚，PN结耗尽区主要向低参杂一侧扩散，所以此结构下，P body区域一侧，耗尽区扩展很小，基本对承压没有多大贡献，承压主要是P body--N EPI在N型的一侧区域，这个区域的电场强度是逐渐变化的，越是靠近PN结面，电场强度E越大。对于COOLMOS结构，由于设置了相对P body浓度低一些的P region区域，所以P区一侧的耗尽区会大大扩展，并且这个区域深入EPI中，造成了PN结两侧都能承受大的电压，换句话说，就是把峰值电场Ec由靠近器件表面，向器件内部深入的区域移动了。

COOLMOS在电源上应用的优点总结

1、通态阻抗小，通态损耗小。

由于SJ-MOS的Rdson远远低于VDMOS，在系统电源类产品中SJ-MOS的导通损耗必然较之VDMOS要减少的多。其大大提高了系统产品上面的单体MOSFET的导通损耗，提高了系统产品的效率，SJ-MOS的这个优点在大功率、大电流类的电源产品产品上，优势表现的尤为突出。

2、同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。

首先，同等电流以及电压规格条件下，SJ-MOS的晶源面积要小于VDMOS工艺的晶源面积，这样作为MOS的厂家，对于同一规格的产品，可以封装出来体积相对较小的产品，有利于电源系统功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS的导通损耗的降低从而降低了电源类产品的损耗，因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，我们在实际中往往会增加散热器来降低MOS单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于SJ-MOS可以有效的减少发热量，减小了散热器的体积，对于一些功率稍低的电源，甚至使用SJ-MOS后可以将散热器彻底拿掉。有效的提高了系统电源类产品的功率密度。

3、栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低。

传统VDMOS的栅电荷相对较大，我们在实际应用中经常会遇到由于IC的驱动能力不足造成的温升问题，部分产品在电路设计中为了增加IC的驱动能力，确保MOSFET的快速导通，我们不得不增加推挽或其它类型的驱动电路，从而增加了电路的复杂性。SJ-MOS的栅电容相对比较小，这样就可以降低其对驱动能力的要求，提高了系统产品的可靠性。

4、节电容小，开关速度加快，开关损耗小。

由于SJ-MOS结构的改变，其输出的节电容也有较大的降低，从而降低了其导通及关断过程中的损耗。

同时由于SJ-MOS栅电容也有了响应的减小，电容充电时间变短，大大的提高了SJ-MOS的开关速度。对于频率固定的电源来说，可以有效的降低其开通及关断损耗。提高整个电源系统的效率。这一点尤其在频率相对较高的电源上，效果更加明显。

COOLMOS系统应用可能会出现的问题

1、EMI可能超标。

由于SJ-MOS拥有较小的寄生电容，造就了超级结MOSFET具有极快的开关特性。因为这种快速开关特性伴有极高的dv/dt和di/dt，会通过器件和印刷电路板中的寄生元件而影响开关性能。对于在现代高频开关电源来说，使用了超级结MOSFET，EMI干扰肯定会变大，对于本身设计余量比较小的电源板，在SJ-MOS在替换VDMOS的过程中肯定会出现EMI超标的情况。

2、栅极震荡。

功率MOSFET的引线电感和寄生电容引起的栅极振铃，由于超级结MOSFET具有较高的开关dv/dt。其震荡现象会更加突出。这种震荡在启动状态、过载状况和MOSFET并联工作时，会发生严重问题，导致MOSFET失效的可能。

3、抗浪涌及耐压能力差。

由于SJ-MOS的结构原因，很多厂商的SJ-MOS在实际应用推广替代VDMOS的过程中，基本都出现过浪涌及耐压测试不合格的情况。这种情况在通信电源及雷击要求较高的电源产品上，表现的更为突出。这点必须引起我们的注意。

4、漏源极电压尖峰比较大。

MOSFET目前使用的客户主要是反激的电路拓扑，由于本身电路的原因，变压器的漏感、散热器接地、以及电源地线的处理等问题，不可避免的要在MOSFET上产生相应的电压尖峰。针对这样的问题，反激电源大多选用RCD SUNBER电路进行吸收。由于SJ-MOS拥有较快的开关速度，势必会造成更高的VDS尖峰。如果反压设计余量太小及漏感过大，更换SJ-MOS后，极有可能出现VD尖峰失效问题。

5、纹波噪音差。

由于SJ-MOS拥有较高的dv/dt和di/dt，必然会将MOSFET的尖峰通过变压器耦合到次级，直接造成输出的电压及电流的纹波增加。甚至造成电容的温升失效问题的产生。

目前市场上COOLMOS应用及厂家相关信息收集

1、目前COOLMOS主要应用范围为高端LED电源、通信电源、个人电脑、笔记本电脑、上网本、手机、高压气体放电灯以及电视机(液晶或等离子电视机)和游戏机等消费电子产品的电源或适配器等等。其主要应用范围为高压段，在低压段应用不太明显，但也有相应的厂家在做中压段，如AO公司。

2、目前COOLMOS类产品主要以Infineon一家独大，占据市场比例比较多。当然，除了Infineon以外，Toshiba、ST、NCE等厂家也都有COOLMOS产品在推广应用，但市场份额相对占的比较小。

3、由于Infineon Technologies的COOLMOS目前占据的市场份额比较大，我们就着重介绍一下Infineon Technologies的COOLMOS系统。Infineon 的COOLMOS主要有C3、CP、C6、CFD、 CFD2等系列。

C3系列是Infineon 早期应用非常广泛的COOLMOS系列

CP系列与C3系列相比其主要区别为其在开关速度及导通电阻上更有优势。CP系列Infineon 推荐在PFC方面的PWM应用。

C6系列为Infineon的第五代产品，网络论坛中部分工程师认为C3的COST DOWN 版本。

CFD、 CFD2系列RDSON比C3系列稍大，但其在TRR特性较好，同时对其体二级管特性进行了提高，这也是其FAE推荐客户使用CFD2系列在LLC电路或桥式电路中(如HID灯)的缘由。