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Sep 28, 2023

Super-Junction-MOSFETs sorgen für Effizienz in der Welt der Hochtechnologie

Während das weltweite Stromnetz Schwierigkeiten hat, mit dem Nachfragewachstum Schritt zu halten, sucht die Leistungshalbleiterindustrie weiterhin nach innovativen Wegen, um mit weniger mehr zu erreichen. Rohm, Alpha und Omega Semiconductor und

Während das weltweite Stromnetz Schwierigkeiten hat, mit dem Nachfragewachstum Schritt zu halten, sucht die Leistungshalbleiterindustrie weiterhin nach innovativen Wegen, um mit weniger mehr zu erreichen. Rohm, Alpha and Omega Semiconductor und Toshiba haben die neuesten Teile ihrer Super Junction Power MOSFET (SJ MOSFET)-Produktlinien angekündigt, die genau für diesen Zweck entwickelt wurden.

Wenn Sie viel Zeit mit MOSFETs verbracht haben, kennen Sie die Probleme des RDS(on) (Widerstand zwischen Drain und Source im eingeschalteten Zustand) gut. Ein niedrigerer RDS(on) ermöglicht geringere Verluste und eine geringere Wärmeentwicklung bei Strom. Allerdings steigt RDS(on) typischerweise mit zunehmender Spannung, Stromfluss und Schaltgeschwindigkeit. Entwickler vieler Geräteklassen, insbesondere in der Motor- und Leistungssteuerung, möchten höhere Spannungen verwenden, um den Strom bei gleicher Nennleistung zu reduzieren und die Geräuscheigenschaften der Geräte zu verbessern. Ein anschließend höherer RDS(on) wirkt den Effizienzzielen entgegen.

Der andere Hauptfaktor für den MOSFET-Leistungsverlust ist die Schaltzeit. Im vollständig ausgeschalteten oder eingeschalteten Zustand ist der Gate-Strom praktisch Null. Beim Schalten ziehen die Geräte jedoch Strom durch das Gate. MOSFETs verfügen über eine geringe Gate-Kapazität, die sich auf die maximale Schaltzeit auswirkt und beim Laden oder Entladen der Gate-Kapazität Strom zieht. Die Schaltzeit in der Schaltung ist mehr oder weniger fest, sodass eine höhere Taktrate dazu führt, dass der Gate-Strom für einen höheren Prozentsatz der Zeit gezogen wird.

Dies ist übrigens einer der Gründe, warum Sie einen ungenutzten Eingang eines MOSFET-Geräts nicht schweben lassen sollten. Rauschen an einem Floating-Gate führt zu Schaltstromverlusten, selbst wenn kein Strom durch das Bauteil fließt.

Der SJ-MOSFET ist eine der Möglichkeiten, mit denen die Branche die RDS(on)- und Schaltzeitherausforderungen angeht. In diesem Artikel schaue ich mir drei neue 600-V-SJ-MOSFETs von Rohm, Alpha and Omega und Toshiba an.

600-V-SJ-MOSFETs

ID (Max. kontinuierlich/gepulst)

4 A–9 A

12 A–27 A

50 A/200 A

40 A/160 A

RDS(ein)

510 mΩ–1.330 mΩ

<50 mΩ

<55 mΩ, max

Trr (Zeit zum Umkehren)

40 ns

450 ns

Zielanwendungen

Rohm hat seine PrestoMOS SJ MOSFET-Produktlinie um drei neue Modelle erweitert. Die Rohm-Geräte legen Wert auf geringes Rauschen und eine schnelle Sperrverzögerungszeit (Trr) der eingebauten Body-Diode. Mit 40 ns behauptet Rohm den schnellsten verfügbaren Trr für einen 600-V-MOSFET. Low Trr reduziert Schaltverluste um etwa 30 % und hält das Rauschen niedrig.

Viele Geräte, die in der Vergangenheit Wechselstrommotoren mit Netzspannung verwendeten, verwenden jetzt bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC), um die Geräuschentwicklung zu verringern, den Stromverbrauch zu senken und die Kontrolle zu verbessern. Dazu gehören Geräte wie Kühlschränke, Ventilatoren, Klimaanlagen und eine Vielzahl anderer Kleinmotorgeräte mit mittlerer Beanspruchung. Die neuesten Versionen dieser Produkte verwenden MOSFET-Wechselrichter zur Erzeugung von Hochspannungs-Gleichstrom, wobei MOSFET-basierte Wechselrichter und Motortreiber zum Einsatz kommen.

Durch die Umstellung von Voll-Ein/Voll-Aus-Wechselstrommotoren kann beispielsweise ein Kühlschrank 20–30 % weniger Strom über die gesamte Lebensdauer verbrauchen und weist einen wesentlich geringeren Geräuschpegel auf. Auf diese Art von Anwendung zielt Rohm mit der R60xxRNx-Serie ab.

Frühere Generationen von MOSFETs erforderten für den Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten zusätzliche komplexe Rauschunterdrückungsschaltungen. Diese Generation von SJ-MOSFET reduziert den Bedarf an dieser Schaltung, indem sie die Rauscheigenschaften bei einer Schaltgeschwindigkeit von 40 MHz um 40 dB senkt, was einen schnelleren Designzyklus und weniger diskrete Komponenten ermöglicht.

Alpha und Omega Semiconductor stellten das erste Modell seiner neuen 600-V-SJ-MOSFET-Reihe mit dem Namen αMOS7 vor. Der AOK050V60A7 unterstützt einen kontinuierlichen Drainstrom von 50 A bei 25 °C und einen gepulsten Drainstrom von bis zu 200 A in einem TO-247-Gehäuse.

Während die oben besprochenen Rohm-Geräte für Stromlasten von weniger als 10 A für Motoren und Motorwechselrichter ausgelegt sind, handelt es sich bei den Alpha- und Omega-SJ-MOSFETs um Geräte mit höherem Strom, die für geschäftskritische Stromversorgungssysteme wie Titan-Server-Netzteile (EV) entwickelt wurden Lade- und Solarpark-Wechselrichterausrüstung.

Die Alpha- und Omega-Teile verfügen nicht über die Schaltgeschwindigkeit der Rohm-Teile, sondern sind vielmehr darauf ausgelegt, einen RDS(on) von unter 50 mΩ bei höheren Strömen zu liefern, während sie dennoch eine angemessene Schaltzeit und eine reduzierte Qrr (Body-Diode-Reverse-Recovery-Ladung) bieten zu ihrer robusten Gehäusediode.

Toshiba hat seine vierte Generation von SJ-MOSFETs, genannt DTMOSVI, herausgebracht, die sich auf Prozessverbesserungen konzentrieren, um sowohl RDS(on) zu reduzieren als auch das Hochgeschwindigkeitsschalten zu verbessern. Ähnlich wie die von Alpha und Omega liegt Toshibas neuestes DTMOSVI-Teil, der TK055U60Z1, im 40-A-Bereich und zielt auf höhereffiziente Netzteile für Rechenzentren, Power Conditioner für Solarstromgeneratoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen und ähnliche Anwendungen ab.

Toshiba hat das Gate-Design und den Gate-Prozess optimiert, um die Fläche pro RDS(on)-Einheit um 13 % und die RDS(on) x Gate-Drain-Ladung um 25 % im Vergleich zu seiner DTMOSIV-H-Serie der aktuellen Generation mit der gleichen Nennspannung zu reduzieren. Diese Verbesserungen sorgen dafür, dass die neuen Teile sowohl bei den Leitungs- als auch bei den Schaltverlusten eine bessere Leistung erbringen.

Der TK055U60Z1, der erste der neuen MOSFET-Serie, liefert 40 A kontinuierlichen Drainstrom bei 150 °C und 160 A gepulsten Strom in einem oberflächenmontierbaren Toshiba TOLL-Gehäuse.

Obwohl die Alpha- und Omega- sowie Toshiba-Teile für die Stromversorgung und das Rohm-Produkt für Motoranwendungen konzipiert sind, nutzen alle drei die Eigenschaften der SJ-MOSFET-Architektur, um die MOSFET-Effizienz zu verbessern und Leistungsverluste zu reduzieren. Da MOSFET-basierte Anwendungen überall dort allgegenwärtig werden, wo Elektrizität verwendet wird, werden Effizienzgewinne bei Geräten, wie sie in diesen Komponenten gezeigt werden, weitreichende Auswirkungen haben.

Erwarten Sie weitere Angebote dieser und anderer Unternehmen im SJ-MOSFET-Bereich, da die Notwendigkeit, mehr aus den Stromnetzen der Welt herauszuholen, immer wichtiger wird.