作者：Holger Kapels博士和Gerald Deboy博士，英飛凌科技股份公司

自1998年進入市場以來，超結器件（SuperJunction）在高壓MOSFET市場上所占的份額穩步上升。多年以來，此類產品的廠商競相減低單位面積上的較低導通電阻R_DS(on)。在特定硅面積的情況下，持續降低導通電阻也使得器件的開關速度不斷提高，從而降低應用上的開關損耗。但高開關速度，也增加了應用難度。

在目前的開關電源應用中，開關速度本身已經不是制約效率提高的因素。因此，除了對開關器件本身進行優化之外，還需要全盤考慮整個系統。

英飛凌的新一代CoolMOS™C6系列高壓MOSFET既具有現代超結晶體管的優點，如極低的單器件導通電阻和低容性損耗，又加強了開關控制性能和體二極管硬換流抗受能力。

概述

CoolMOS™ C6乃英飛凌向市場推出的新一代高壓MOSFET。第一代S5產品的導通電阻很低，已經突破了硅極限。下一代C2產品和在市場上廣受歡迎的C3系列產品，特別是CoolMOS™ CP系列產品，不僅更降低了導通電阻，也具備了更快的開關速度。C3為通用功率器件，本身已經成為一種標準。而CP則適合同時要求較快開關速度和超低導通電阻的各種應用_。由于CP系列產品可達到極高的開關速度，應用上需要對電路板布局和布線加以特別注意，避免柵極和源極電路中產生寄生電容和電感。因此，CP系列產品在高效率應用上仍然保持著標桿地位。

英飛凌推出新的CoolMOS™ C6產品系列的目的在于，使客戶更容易更有效的控制開關速度，大幅提升其抗電路板寄生電感和電容的性能，從而顯著提高該器件適應各種非理想電路環境的能力，并保持了CP產品系列各種優勢（如超低的導通電阻）。

工作原理

Coe和Fujihira發明了超結理論，這標志著高壓MOSFET領域取得了實質性突破。早在上個世紀70年代，飛利浦的研究人員就發現，在N型導電有源區平行地添加一層P摻雜層，可以顯著提高橫向晶體管的擊穿電壓。這個在其著作中被稱為“降低表面電場”或RESURF原理的概念，被應用于多水平層和垂直功率MOSFET。但是，這些結構的制造非常困難，直至1998年，CoolMOS™的引入才徹底解決了商業量產的難題。

圖1：傳統高壓MOSFET（左）與電荷補償或超結器件（右）的結構比較

如圖1所示，根據SJ原理，可以加深P導電區，以提高電流傳導區的摻雜濃度，從而顯著降低單位面積導通電阻。在導通狀態，這種高N摻雜濃度對器件有利；而在關斷狀態，附加的P摻雜區對高N摻雜濃度進行補償，使其達到與高關斷電壓相適應的水平。因此，利用這種概念可以突破所謂的硅極限。硅極限指傳統MOSFET在給定電壓等級時的較佳理論導通電阻。

單位面積導通電阻的降低，既可以在給定封裝下達到極低的導通電阻，又可以在極小的半導體芯片尺寸中實現給定的導通電阻。在封裝尺寸一定的情況下，極低的導通電阻，可以構建更緊湊、高效的電源。但是此優點也給器件概念方面帶來兩個固有的挑戰：第一，器件在異常工作條件下能處理的功率損耗降低；第二，由于器件電容較低，開關速度上升。

在使用硬開關關斷期間，如果柵極驅動電阻小，負載電流及時換流，對輸出電容進行充電直至直流母線電壓。電壓上升與負載電流成比例，并與輸出電容的容值成反比。由于輸出電容呈非線性，高壓時容值較小，所以在單端應用場合，電壓接近母線電壓時開關速度達到較高。采用這種控制方式時，開關速度僅受器件源極電感的限制，因此開關速度極高，特別是工作在峰值電流條件（如交流斷電或副邊短路）時，情況尤其如此。不過為達到較高的效率，應用上往往采用較低的柵極電阻，放棄部分的開關控制，以達到較高的開關速度。與此相反，利用高阻值柵極電阻實現的低速開關，使器件在整個關斷瞬態保持準線性狀態。在這種模式下，可實現對dv/dt和di/dt的完全控制，然而效率會顯著降低。

CoolMOS™ C6采用了新的柵極電荷、轉移特性和結構組合，使其具有適中的開關速度，避免了因開關速度太高而產生的電流或電壓過沖，卻仍然可以在非零寄生環境中獲得較佳效率。如圖2所示，C6有著較低的輸出電容儲存能量（Eoss）。Eoss是一種對硬開關應用環境中的輕載效率的重要指標——在硬開通期間，這種能量被轉換為熱能消耗掉，因此它在器件的整體功耗平衡舉足輕重。

在LLC變換器等諧振型拓撲結構中，中點電壓從直流母線電壓擺動到零所需的時間與存儲在輸出電容中的能量同等重要。該時間可以用積分Qoss來推導。

即

從圖2中同樣可以看出，C6系列產品有較低的Qoss。所以CoolMOS™ C6系列產品有較低的充電時間和極低的能量Eoss。它們決定了在給定諧振器件和磁化電流時的零電壓開關點。

圖2：不同器件家族輸出電容中存儲電荷E_oss（右側參考軸，虛線）和電荷Q_oss（左側參考軸）之間的比較

諧振型拓撲結構的另一個十分重要的參數是對出錯狀態的抗受能力，如對內部體二極管硬換流的抗受能力。例如，LLC變換器在啟動和負載跳變期間會出現此類情況。如圖3所示，CoolMOS™ C6內部體二極管的反向恢復電荷比C3系列產品下降了大約25%。在進行換流試驗過程中，器件表現出了出色的出錯狀態抗受能力，而且，在開關晶體管和二極管采用同樣器件的情況下，CoolMOS™ C6器件幾乎不可能被毀壞。因此，在大多數情況下，可以不使用昂貴的寄生了快恢復體二極管型的MOSFET。

圖3：不同產品系列在體二極管以額定電流進行硬換流期間的反向恢復電流波形

試驗結果

為了驗證硬和軟開關應用中的系統效率，我們在功率因素校正（PFC）電路和LLC變換器中對新型功率半導體器件家族進行了測試。

PFC電路的開關頻率為130kHz，輸出功率為300W。選擇PFC電感使PFC級始終工作在連續電流模式，即使在輸入電壓高達230V時也不例外。為了便于比較，使用了三種不同的600伏190毫歐超結器件。在滿負載以及輸入電壓分別為90V AC（大圖）和230V（右上側插圖）情況下，PFC級的效率隨柵極電阻變化的情況如圖4所示。

圖4：在硬開關、連續電流模式驅動PFC級的條件下，CoolMOS™ C6系列產品與C3和CP產品系列實測效率的比較。大圖：滿負載，線電壓為90V AC；右上側小圖：滿負載，線電壓為230V AC。

新型CoolMOS™ C6產品系列的效率顯著高于前代C3系列產品，接近開關速度極快的CP系列產品。對于CoolMOS™ C6產品系列，效率受柵極電阻的影響相對較小。

此外，在應用分析過程中，我們還搭建了一個300W PC電源，包括硬開關、CCM工作的PFC變換器和作為主級的采用諧振工作模式的LLC變換器。LLC級提供±12V的輸出電壓，5V和3.3 V的輸出電壓則由12V輸出經降壓轉換器生成。PFC級采用一只600V 199mOhm CoolMOS™ CP，LLC級則采用英飛凌新型的兩只600V CoolMOS^TM C6。圖5為線電壓分別為115V AC和230V AC時的綜合效率比較。在輸入115V AC，輸出50%負載時，效率為92.2%。在20%輸出功率的輕載以及滿載條件下，效率均達到90.5%。即使在10%負載條件下，總效率也可以達到85%以上。在采用CoolMOS™ C6時，LLC級本身在各種負載條件下的效率分別為：20%負載時，效率為96%；50%負載時，效率為97.2%；滿負載時，效率為96.5%。

圖5：300W PC開關式電源在線電壓分別為115V AC和230V AC時的實測效率比較

結論

新型CoolMOS™ C6產品系列既繼承現代超集結器件的各種優勢，如低單位面積導通電阻和低容性損耗，又加強了出色的故障時的抗受能力（如體二極管的硬換流），也優化開關控制與開關特性。

特別是對于廣泛的中高端應用，如開關電源、適配器、照明、電視和消費產品，目前的CoolMOS™ C6是SMPS設計人員的理想解決方案，可幫助設計人員以緊湊、高效的設計，實現優化的開關和EMI特性。較先向市場推出的產品為600V等級，導通電阻介于70毫歐至3.3歐姆之間。基于同樣技術的其他電壓等級的產品將隨后推出。

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