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在電源系統應用中如何選擇COOLMOS

時間:2019/10/22 14:18:07瀏覽次數:389

COOLMOS在電源上的應用已經初具規模,做為電源工程師,在電源開發的過程中選用COOLMOS應該注意什么呢?


COOLMOS與VDMOS的結構差異

為了克服傳統MOS導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾,一些人在VDMOS基礎上提出了一種新型的理想器件結構,稱為超結器件或COOLMOS,COOLMOS的結構如圖2所示,其由一些列的P型和N型半導體薄層交替排列組成。在截止態時,由于P型和N型層中的耗盡區電場產生相互補償效應,使P型和N型層的摻雜濃度可以做的很高而不會引起器件擊穿電壓的下降。導通時,這種高濃度的摻雜可以使其導通電阻顯著下降,大約有兩個數量級。因為這種特殊的結構,使得COOLMOS的性能優于傳統的VDMOS。

對于常規VDMOS器件結構, Rdson與BV這一對矛盾關系,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。所以對于普通VDMOS,兩者矛盾不可調和,這就是常規VDMOS的局限性。

但是對于COOLMOS,這個矛盾就不那么明顯了。通過設置一個深入EPI的的P區,大大提高了BV,同時對Rdson上不產生影響。對于常規VDMOS,反向耐壓,主要靠的是N型EPI與body區界面的PN結,對于一個PN結,耐壓時主要靠的是耗盡區承受,耗盡區內的電場大小、耗盡區擴展的寬度的面積。常規VDSMO,P body濃度要大于N EPI,大家也應該清楚,PN結耗盡區主要向低參雜一側擴散,所以此結構下,P body區域一側,耗盡區擴展很小,基本對承壓沒有多大貢獻,承壓主要是P body--N EPI在N型的一側區域,這個區域的電場強度是逐漸變化的,越是靠近PN結面,電場強度E越大。對于COOLMOS結構,由于設置了相對P body濃度低一些的P region區域,所以P區一側的耗盡區會大大擴展,并且這個區域深入EPI中,造成了PN結兩側都能承受大的電壓,換句話說,就是把峰值電場Ec由靠近器件表面,向器件內部深入的區域移動了。

COOLMOS在電源上應用的優點總結
1、通態阻抗小,通態損耗小。
由于SJ-MOS的Rdson遠遠低于VDMOS,在系統電源類產品中SJ-MOS的導通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統產品上面的單體MOSFET的導通損耗,提高了系統產品的效率,SJ-MOS的這個優點在大功率、大電流類的電源產品產品上,優勢表現的尤為突出。
2、同等功率規格下封裝小,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,對于同一規格的產品,可以封裝出來體積相對較小的產品,有利于電源系統功率密度的提高。
其次,由于SJ-MOS的導通損耗的降低從而降低了電源類產品的損耗,因為這些損耗都是以熱量的形式散發出去,我們在實際中往往會增加散熱器來降低MOS單體的溫升,使其保證在合適的溫度范圍內。由于SJ-MOS可以有效的減少發熱量,減小了散熱器的體積,對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。有效的提高了系統電源類產品的功率密度。
3、柵電荷小,對電路的驅動能力要求降低。
傳統VDMOS的柵電荷相對較大,我們在實際應用中經常會遇到由于IC的驅動能力不足造成的溫升問題,部分產品在電路設計中為了增加IC的驅動能力,確保MOSFET的快速導通,我們不得不增加推挽或其它類型的驅動電路,從而增加了電路的復雜性。SJ-MOS的柵電容相對比較小,這樣就可以降低其對驅動能力的要求,提高了系統產品的可靠性。
4、節電容小,開關速度加快,開關損耗小。
由于SJ-MOS結構的改變,其輸出的節電容也有較大的降低,從而降低了其導通及關斷過程中的損耗。同時由于SJ-MOS柵電容也有了響應的減小,電容充電時間變短,大大的提高了SJ-MOS的開關速度。對于頻率固定的電源來說,可以有效的降低其開通及關斷損耗。提高整個電源系統的效率。這一點尤其在頻率相對較高的電源上,效果更加明顯。

COOLMOS系統應用可能會出現的問題
1、EMI可能超標。
由于SJ-MOS擁有較小的寄生電容,造就了超級結MOSFET具有極快的開關特性。因為這種快速開關特性伴有極高的dv/dt和di/dt,會通過器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開關性能。對于在現代高頻開關電源來說,使用了超級結MOSFET,EMI干擾肯定會變大,對于本身設計余量比較小的電源板,在SJ-MOS在替換VDMOS的過程中肯定會出現EMI超標的情況。
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,由于超級結MOSFET具有較高的開關dv/dt。其震蕩現象會更加突出。這種震蕩在啟動狀態、過載狀況和MOSFET并聯工作時,會發生嚴重問題,導致MOSFET失效的可能。
3、抗浪涌及耐壓能力差。
由于SJ-MOS的結構原因,很多廠商的SJ-MOS在實際應用推廣替代VDMOS的過程中,基本都出現過浪涌及耐壓測試不合格的情況。這種情況在通信電源及雷擊要求較高的電源產品上,表現的更為突出。這點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撲,由于本身電路的原因,變壓器的漏感、散熱器接地、以及電源地線的處理等問題,不可避免的要在MOSFET上產生相應的電壓尖峰。針對這樣的問題,反激電源大多選用RCD SUNBER電路進行吸收。由于SJ-MOS擁有較快的開關速度,勢必會造成更高的VDS尖峰。如果反壓設計余量太小及漏感過大,更換SJ-MOS后,極有可能出現VD尖峰失效問題。
5、紋波噪音差。
由于SJ-MOS擁有較高的dv/dt和di/dt,必然會將MOSFET的尖峰通過變壓器耦合到次級,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題的產生。

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