一直想琢磨开关管的器件选型，但一直不知道从哪里下手。最近有幸获得了一些启发，就决定先从材料方面入手，好好聊聊不同材料开关管的器件选型。
概念
CoolMOS是一种高性能的功率MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），由英飞凌科技公司（Infineon Technologies）开发并推向市场，主要使用单晶硅（Si）材料制作。CoolMOS的主要特点是其独特的超结（Superjunction）结构，这种结构是一种特殊的垂直结构，通过在N型漂移区中交替排列P型掺杂区域，使得CoolMOS在高压应用中具有非常低的导通电阻（Rds(on)）和较高的击穿电压，从而提高了效率并减少了热损耗。
原理
在认识CoolMOS，也就是超结MOS前，我们先来看两个MOS管上的关键参数：Rdson和击穿电压
Rdson（导通电阻）
导通电阻，指栅极施加偏压使器件导通时，漏源间的总电阻。
那这个时候漏源间的总电阻哪里来的呢？来自栅极加正向电压后，PN结之间的交界处因为极性相反而形成的耗尽层（也就是载流子不存在，电流没办法通过的部分）会变薄，对应的就是导电沟道（即存在载流子的部分）加宽。而这个时候，因为半导体中本身的载流子有限，就会存在漏源间的电阻，因此，通过改变N型半导体和P型半导体中的掺杂浓度，可以改变Rdson。
为了透彻的理解导通电阻为什么会随着掺杂浓度改变，以及和什么有关系，我们来强化一下电阻的概念。
所谓电阻，就是导体对电流的阻碍作用。电子在运动过程中与材料碰撞，形成更多的电子-空穴对，进而完成导电。而这个过程中材料对于自由电子定向移动的阻碍作用，我们就用R来表示。
由公式可知，当载流子浓度升高时Q会升高，导电更容易，电阻也会相应的降低。
击穿电压
通常情况下，我们在电路中说的击穿电压都是指开关管漏源的击穿电压。
当栅极加负电压or不加压时，给PN结一个反偏电压，P型半导体和N型半导体之间会形成耗尽层，耗尽层是一个有电场，无载流子的层，可以把它当成一个电容，其电场方向与外加电压反向。而当所加电压到达一定程度时，P型半导体和N型半导体之间的电场就会大到能给载流子一个能量，使其能碰撞并电离晶格中的原子，产生雪崩，这个时候两端所加电压就是击穿电压。
由此我们可以知道，在开关管中，我们是希望N型半导体和P型半导体间的电场越大越好的，只有电场尽可能的大，才能保证尽可能大的击穿电压。
CoolMOS
下图是CoolMOS的结构图，N+为高浓度掺杂半导体，N为低浓度掺杂半导体，P+和P同理。
可以看到，在图中，高掺杂浓度的N型半导体和P型半导体交替排列（N+和P+）使得Rdson大大降低。而此时，如果像CoolMOS的前身，VDMOS那样，没有N型半导体和P型半导体交错的超结结构，那此时击穿电场大小就主要由N+、P+、P和N的双扩散产生，这个时候由于高浓度掺杂半导体的存在，会导致载流子更活跃，击穿电压较低。
然而，CoolMOS引入了超结结构，也就是图中那个加长的P型半导体和N型半导体，这个时候，它俩的存在会形成一个稳定的电容，使它们之间的电场强度一直保持在峰值，而不会从源极到漏极随着距离递减，直到不存在P型薄板和N型薄板的区域。这会对VDMOS情况下的电场形成补偿，电场分布的更加均匀，载流子通过电压获得能量后更难通过这个电场区域，这个时候击穿电压较高。
根据上述分析可以知道，CoolMOS同时拥有了较高的击穿电压与较小的导通电阻，同时满足了增大功率密度和增大击穿电压两者。而同时，CoolMOS由于具有低栅极电荷，开关速度也很快，是硅基开关管中性能最为优秀的一批之一。
特性
这一部分参考华中科技大学硕士学位论文《CoolMOS器件低开关损耗驱动芯片的研究与设计》
静态特性
CoolMOS 输出特性曲线和CoolMOS 转移特性曲线
通常情况下，由于在饱和区中Rdson较大，且随着Vds的增加而增加，为了确保开关管上消耗的功率尽可能小，CoolMOS都在线性区和截止区之间切换。在VGS>VGS(TH)且 VDS<VGS-VGS(TH)时工作在线性区，VGS<VGS(TH)时工作在截止区。
此外，CoolMOS在高压高电流下工作时间越长，安全工作区域越小，但无论工作时长多久，安全工作时Vds都不能超出击穿电压。
动态特性
CoolMOS的动态特性决定了合适的开关时间，通常在几十纳秒到几百纳秒之间，可以应用在高频开关电源中
典型参数
- 击穿电压 (Vbr)：600V, 650V, 800V, 900V
- 最大导通电阻 (Rds(on))：几毫欧姆到几十毫欧姆
- 栅极电荷 (Qg)：几十纳库到几百纳库
- 输出电容 (Coss)：几皮法到几十皮法
- 反向恢复电荷 (Qrr)：几纳库到几十纳库
应用
该部分参考英飞凌CoolMOSTM 8 600 V产品手册
全桥逆变器
固态继电器
为什么要用CoolMOS？
- 成本低：CoolMOS基于成熟的硅工艺，制造成本相对较低。对于许多应用，如开关电源、逆变器、电机驱动、电池管理系统等大多数高压和高频应用来说，CoolMOS提供了足够的性能，并且在成本上更具优势。
- 易采购：CoolMOS经过多年的市场验证，技术非常成熟，供应链稳定，易于采购。
- 设计和集成容易：CoolMOS设计和集成相对简单，现有的电路设计和布局可以很容易地适应CoolMOS
- 可靠性高：CoolMOS经过长期验证，具有良好的可靠性和寿命
- 热管理技术成熟：硅基器件的热管理技术已经非常成熟