美浦森超结MOS在照明电源中的应用

美浦森超结MOS在照明电源中的应用

随着电源技术和功率器件以及通信技术的发展，目前的照明产品越来越趋向于智能化，小型化。对电源的体积和功率密度的要求也越来越高。因此，越来越多的新型半导体器件也逐渐应用到LED照明产品上，比如超结MOS的应用就越来越普遍，许多LED电源厂商以开始用超结MOS去替代VDMOS，在达到高效率的同时，更节省了电源空间和生产成本。今天我们来讨论一下在照明行业中改如何选择合适的超结MOS。

首先，我们需要了解超结MOS和VDMOS的优缺点，以及在照明产品中我们应该注意MOS的哪些重要参数。

一、超结MOS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SJ-MOS，他们的结构如图1和图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SJ-MOS的性能优于传统的VDMOS.

二、超结MOS的优点

1、通态阻抗小，通态损耗小。 

由于超结MOS的Rdson远远低于VDMOS，在系统电源类产品中超结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。

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，超结MOS的晶圆面积要小于VDMOS工艺的晶圆面积，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，由于超结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体积来降低MOS单体的温升，使其保证在合适的温度范围内。由于超结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，甚至使用超结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。超结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、结电容小，开关速度加快，开关损耗小。 

由于超结MOS结构的改变，其输出的结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。

同时由于超结MOS栅电容也有了响应的减小，电容充电时间变短，大大的提高了超结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。

三、超结MOS系统应用可能会出现的问题

1、EMI可能超标。

由于超结MOS拥有较小的寄生电容，造就了超结MOS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，使用了超结MOS，EMI干扰肯定会变大。

2、栅极震荡。

功率MOSFET的引线电感和寄生电容引起的栅极震荡，由于超结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。

   由于超结MOS的结构原因，很多厂商的超结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。

  在反激的电路拓扑中，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。由于超结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，更换超结MOS后，极有可能出现VD尖峰失效问题。

目前我们在100W内的照明市场主要采用的是PSR拓扑结构，如图3：

在这种结构下，超结MOS相比VDMOS，其远低于VDMOS的Rdson和小封装体积的优势非常明显。例如，我们可以用252的封装外型去替代220F，在节省了散热器的同时，还能保证较高的效率和较低的温升，也更加利于生产。

同时，在这种构架下，超结MOS的EMI和浪涌较差的缺点也非常突出。由于前端没有滤波电解电容，在浪涌冲击时，Vbus电压会升的很高，随着Ton的减小，ID电流变大，Vds会升的很高，对MOS的雪崩能力要求比较高。

如图，在同样的浪涌情况下，超结MOS失效的可能性更高。这就要求我们在选择超结MOS的时候，必须重点考虑MOS的雪崩能力。

 

我们知道MOSFET的规格书中，EAS的指标值直接反应了MOS的抗浪涌能力。而实际中，我们看到各个厂家在此参数上的值相去甚远，这主要是因为各个厂家的测试条件不一样。通用的EAS测试电路如下：

 

由图可知，L和I的取值不同，实测的EAS值也不同。一般情况下会采用较小的L以及较大的I进行测试。我们在选择超结MOS时，应以相同测试条件下EAS值较大的为优。

另外，由于超结的Qg很小，在快速开关中会产生较大的dv/dt和di/dt，从而造成EMI困扰。实际选用时，我们应关注MOS的电容的特性。如下图：

芯晶图电子潘17633824194

 

 

为12A的VDMOS和12A的超结MOS的电容曲线特性对比。超结MOS的电容特性突变更大。由此带来更差的EMI效果。