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Cool-MOS的优势及存在的一些问题!

2019-04-19 13:29 来源:电源网综合 编辑:niko

一、对于Cool-MOS的简述

Cool-MOS的优势及存在的一些问题!

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MOS 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。

二、Cool-MOS的优势

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。

三、Cool-MOS 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

尤其在反激的电路拓扑电源,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。

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