首页技术支持技术专题

在电源系统应用中如何选择COOLMOS

发布日期 2016-01-08 05:59:50
浏览次数 0

COOLMOS在电源上的应用已经初具规模,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?


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。

 

SEMIPOWER 2016-01-08

请关注芯派科技微信

[编辑] [错误报告] [推荐] [收藏] [打印] [关闭] [返回顶部]


  • 样品申请
    在线购买


  • 西安芯派电子科技有限公司
  • 网站备案:陕ICP备09011173号 Copyright ©2008-2014 reserved