几乎每天都会在媒体、网络研讨会和杂志上看到关于碳化硅和氮化镓器件的新闻，这些器件正在势不可挡地大规模部署新半导体材料，有可能取代在电源转换应用领域服务多年的硅。尽管电动汽车和可再生能源政策是大规模使用新技术的强大推动力，但硅不仅仍在使用，而且还在经历翻新和翻新，使其在众多应用中仍然具有吸引力和成本效益。

这种趋势更加可信，因为公司喜欢英飞凌科技公司(或STMicroelectronics)正在引进新一代高压硅技术，同时在SiC和GaN上进行大量投资。最终，采用这种策略的半导体公司比竞争对手保持了很大的优势，因为它们可以提供完整的解决方案，满足大多数要求。

超结功率晶体管

cool mos 8(简称CM8)是英飞凌的最新一代硅MOSFET技术，旨在取代当前系列的cool mos 7(CM7)产品，用于低到高功率应用。它基于高压超级结(SJ)金属氧化物半导体场效应晶体管英飞凌在90年代开创的技术。图1示出了传统平面结构的工作原理。

图1:超结MOSFET与标准MOSFET

SJ的基本概念非常聪明:让电子在非常高掺杂的n-区中流动，这保证了非常低的导通电阻，而不是让它们流过通常用于确保高电压阻断能力的相对高电阻的n-掺杂区。这意味着，对于给定的阻断电压，SJ MOSFETs使用比传统平面器件更薄的外延层。SJ工艺的关键点是使器件阻断其全部电压，这需要使用连续定位的垂直p柱来完美平衡额外的n电荷，并延伸到背面n+触点(图1)。结果，SJ结构呈现出导通电阻和击穿电压之间的线性关系。此外，电荷平衡设计还有助于减少栅极电荷，从而在换向期间实现更快的切换和更少的能量损失。

CoolMOS 8针对的市场

正如英飞凌的Christoph Kielmeier和Austin Webb在一个专门的网络研讨会上解释的那样，CM8只是针对消费和工业市场，而不是汽车市场。后者可以通过成熟的cool mos 7汽车级MOSFETs解决。

CM8系列的一个与众不同的因素，也是相对于上一代产品的一个重大改进，是在所有器件中集成了一个快速体漏二极管，允许设计人员在所有主电源拓扑中使用一个MOSFET系列。此外，英飞凌声称，由于业界最低的RDS(on) ×面积品质因数，CM8系列实现了更高的电流处理能力。尽管CM8需要稍高的栅极-源极驱动电压，但这是可能的。然而，在大多数应用中常见的典型驱动电压(%3E10 V)下，CM8表现出出色的传输特性，可以承载比CM7更大的电流。CoolMOS 7和8均由位于奥地利维拉赫和德国德累斯顿的两家300毫米晶圆厂生产。

CoolMOS 8的主要特性

除了更快的体二极管操作之外，CM8还采用了CoolSiCTM等其他先进技术的改进。其中包括最先进的芯片互连技术。XT扩散焊接和采用顶部冷却(TSC)概念的创新封装。

通过在不同方面采取行动，而不仅仅是在传导损耗方面采取行动，可以实现更高的整体效率，因此大幅降低开关损耗和增强热性能可以做出显著贡献。与CM7系列的类似设备相比，CM8技术使Eoss惊人地降低了10%,成本降低了50%。在MOSFETs中，Eoss指开关期间输出电容所消耗的能量。在开关周期期间，电源对输出电容Coss充电，以在接通期间存储能量。当MOSFET关断时，Coss中存储的能量通过体二极管放电，导致导通损耗。Coss可由以下公式建模:PCoss=1/2 * Coss * Vds2* fswitch，其中PCoss是Coss引起的功率损耗，fswitch是开关频率。

我们也可以写成Coss=charge/Vds=Ids(tr+tf)/Vds，tr和tf分别为上升时间和下降时间。图2总结了CFD7和其他竞争对手技术的归一化导通电阻和EOSS值(mJ)。

图2:以CFD7和竞争产品为基准的CM8的归一化导通电阻和EOSS

CM8具有较低的栅极电荷(Qg ),这意味着更低的驱动损耗和更好的开关行为，进而提高轻负载工作或更高开关频率时的效率。最后但并非最不重要的一点是，由于无源元件的尺寸最小化，更高的开关频率有利于提高功率密度。

最后，通过公司的专有。XT互连技术有助于将CM7的热阻提高14%。

CM8应用领域

由于其整体竞争力，600V CM8适用于许多应用和拓扑结构，满足现有和不断增长的市场需求。其中，我们可以识别服务器、工业和电信/基站电源(PSU)、电动自行车、电动汽车、叉车和专业工具的充电系统。CM8也是微型逆变器混合太阳能装置和低功耗消费应用的理想选择。在某些情况下，它是CoolSiCTM和CoolGaNTM等其它技术的补充，例如在图腾柱PFC电路中。

CM8在典型应用中的优势

图3显示了CM8与IPW60R037CM8和CFD7IPW60R040CFD7，以及具有相同导通电阻和快速体二极管的其他竞争对手的器件。对比测试是使用像英飞凌这样的软开关应用程序完成的3.3 kW LLC评估板。可以看出，CM8的效率比CFD7提高了0.04%，也比其他供应商高出0.05%至0.11%。

图3: CM8效率基准与CFD7和3.3 kW LLC中的竞争产品

包装创新

在不牺牲成本的情况下追求更高的功率密度一直是电力电子领域的主流，导致对SMD封装元件的需求不断增加，因为它们能够实现更快的开关速度，同时降低寄生电感。随着功率密度达到新的记录，现在对散热和冷却提出了限制，这可以通过TSC封装来解决，如QDPAK和DDPAK，非常适合高压JEDEC注册MOSFETs。

TSC封装有一个可焊接的顶面(非隔离)，散热器可以直接焊接在上面。也可以使用推针和散热器与封装之间的间隙填充物来安装散热器。另一种技术是将子卡直接安装到散热器上，这可以通过螺钉或夹子来实现。图4比较了底部SMD封装和TSC器件的安装技术。TSC封装的优势包括最佳热响应、最低组装成本、低寄生效应的高引脚数以及与新工业标准的完全兼容性。

图4:底部冷却和顶部冷却组件

结论

SJ CoolMOSTM 8系列代表了600V硅基设计的重大进步金属氧化物半导体场效应晶体管以及在不断增加的引入新材料的倡议中成功地努力振兴已建立的技术。产品范围包括导通电阻从7 mOhm到600 mOhm的产品，中间有一些阶梯，采用不同的封装选项，如传统的通孔、SMD和TSC变体。CM8推出了新的8×8 ThinTOLL封装，作为8×8 ThinPAK的后续产品。与前代产品相比，thin TOLL具有多项优势，例如视觉焊接检查能力、无铅、改进的热阻抗Zth(具有相同的RthJC ),同时保持相同的尺寸和引脚排列，包括开尔文源端。