电力电子行业的小型化一直是电源设计演变的关键驱动力
 
作者：罗姆技术产品营销经理Heath Ogurisu
这一趋势已从消费电子产品扩展到工业和商业应用，如照明电源、泵和电机。然而，小型化不仅仅是减小物理尺寸的功能；它还要求提高功率效率和可靠性。一个主要的挑战是设计适合越来越传统上，在MOSFET中实现更高的额定电压和低导通电阻需要在尺寸方面进行权衡。超结MOSFET（SJ-MOS）利用了一种特殊的多外延生长工艺，可以更密集地掺杂半导体，从而形成独特的结构。结果是导通电阻降低，同时保持高压阻断能力。因此，SJ-MOS能够在紧凑的尺寸内有效地管理更高的功率水平，这在需要紧凑型电源解决方案的现代电子设备中至关重要。本文的目的是提供对SJ-MOS的理解，概述其在实现小型化和高性能之间的平衡方面的作用。它还将讨论SJ-MOS的设计和操作功能，并介绍罗姆用于工业应用的SJ-MOS。
术语“超结MOSFET”、“SJ-MOS”和“SJ-MOSFET”在本文中可互换使用。

SJ-MOS如何实现高击穿电压和低导通电阻

SJ-MOS在高击穿电压和低导通电阻方面的卓越性能归功于其独特的结构和制造工艺。传统的MOSFET是使用平面结构构建的，其中击穿电压是掺杂浓度以及N-外延层厚度的函数，迫使在更高的击穿电压和由于重掺杂漂移区中更高的电阻率而增加的导通电阻之间进行权衡。SJ-MOS通过沿漂移区引入交替的P和N层的垂直结构克服了这一限制，称为“超结”。深沟槽技术和多外延层生长等先进技术允许精确控制每层的掺杂水平和厚度，实现最大化击穿电压的平衡。这确保了电场在半导体上均匀分布。通过增加N区的掺杂浓度以减小耗尽区的宽度来实现低导通电阻。
 

罗姆的SOT-223-3封装600V SJ MOSFET

罗姆推出了一系列用于商业和工业应用的紧凑型SOT-223-3封装600V SJ-MOS。该产品线包括R6004END4、R6003KND4、R6006KND4、T6002JND4和R6003JND4 SJ-MOS。其中三种型号具有独特的功能，已针对电源进行了优化。R6004END4以其低噪声操作为特点，非常适合噪声问题严重的应用，可以无缝取代传统的平面MOSFET，而R6003KND4和R6006KND4则非常适合需要高速开关和高效率的系统。R6002JND4和R6003JND4系列采用罗姆的PrestoMOS技术，实现了更短的反向恢复时间（trr）。
 

PrestoMOS技术

“Presto”是一个意大利音乐术语，意思是“非常快”。PrestoMOS技术旨在最大限度地减少MOSFET内部二极管的反向恢复时间，这在涉及高速开关的应用中非常有益，例如电机驱动器中的脉宽调制（PWM），即使是微秒级的延迟也会导致效率损失。在电机控制系统中，较短的反向恢复时间允许对电机速度和扭矩进行精确控制，从而实现更精细的调整和更高的性能。此外，较低的开关损耗提高了功率效率，降低了组件的热应力，延长了它们的寿命和可靠性。
 

图1：反向恢复时间和功率损失：PrestoMOS与标准SJ-MOS
 

主要功能和优点

罗姆SOT-223-3600V MOSFET在尺寸和紧凑性、开关速度方面比标准SJ MOSFET有了几项改进，而R60xxENx/R60xxKNx型号提供了低损耗和低噪声操作。下面更详细地介绍这些功能。

小型化和集成化：SOT-223-3与TO-252

罗姆 SOT-223-3600V MOSFET在面积更小、比TO-252封装更薄的封装中平衡了小设计和稳健性能，在不影响性能的情况下满足了节省空间的迫切需求。SOT-223-3封装也与TO-252焊盘图案兼容，便于集成到现有的电路板中。对于希望在不重新设计电路板的情况下用更先进的组件升级系统的设计人员来说，此功能可能很有用。这种兼容性不仅简化了集成，还减少了在现有设计中实施新技术的时间和成本。

减小面积和厚度

与标准to-252产品相比，R600xEND4、R600xKND4和R600xJND4 SJ-MOS的面积和厚度分别大幅减少了31%和27%。在照明电源中，这种小型化转化为LED驱动器和照明控制电路内空间的有效利用，从而在不牺牲电气性能的情况下实现更薄、更具吸引力的照明解决方案。对于泵和电机，特别是在电器或暖通空调系统中，其尺寸的减小使设计人员能够制造出更小、更节能的设备。他们的SOT-223-3封装尺寸为6.5×7.0×1.66mm，提高了整体紧凑性，并允许这些MOSFET集成到更小的电路板和/或空间受限的应用中。
图2显示了DPAK和SOT-223-3封装的外形图。与DPAK相比，SOT-223-3的面积小31.1%，面积小48.3%。


图2：DPAK和SOT-223-3封装尺寸比较的轮廓图

低噪音运行

在电源中，特别是在照明和家用电器中使用的电源中，最大限度地减少电噪声对于确保一致的性能和避免可能干扰附近电子设备功能的干扰至关重要。R600xEND4 SJ-MOS可确保电源的低噪声运行，有助于开发更准确、更可靠的设备。

高速开关

R600xKND4系列的高速开关能力对于功率转换和调节电路的高效运行至关重要。在LED照明系统中，更快的开关可以更精确地控制光强度和颜色，有助于节能并延长LED的寿命。同样，快速开关有利于调光系统，以确保平稳无闪烁的照明。SJ-MOS的快速开关操作也适用于需要快速调整的应用，如变速泵或风扇控制器。

低开关损耗

PrestoMOS技术增强了这些MOSFET的反向恢复时间，这在涉及电机驱动器和其他电感负载的应用中至关重要，因为这些负载经常发生快速开关。开关损耗的减少直接转化为器件内功耗的降低和热量的减少。热应力的降低不仅延长了SJ-MOS的寿命，而且有助于提高系统的整体可靠性和性能。

关键应用

罗姆 SJ MOSFET使设计人员和工程师能够为LED驱动器和荧光灯镇流器等工业和商业照明系统设计更紧凑的电源。例如，它们提供了高速开关能力，降低了LED驱动器中PWM控制器的开关损耗——通过快速开关，这些产品有助于最大限度地减少过渡阶段的能量浪费，并提高电源的整体效率。罗姆SJ-MOS的低导通电阻也意味着操作过程中产生的热量更少，从而实现了更简单、更具成本效益的热管理解决方案。
在工业泵中，罗姆解决方案在效率、可靠性和紧凑性方面比典型的SJ-MOS具有实质性的优势。它们较短的反向恢复时间最大限度地减少了工业泵AC-DC转换器中的开关损耗，从而提高了效率。高耐压能力也确保了在波动电压下的稳定运行。此外，SJ-MOS的占地面积小，使工程师能够为空间有限的工业和消费应用设计紧凑轻便的系统。
罗姆 SJ MOS在电机应用、工业机器和消费电器中也实现了更高的性能和节能。这些MOSFET提供低导通电阻，降低了电机控制系统中的传导损耗，以及电机驱动逆变器中的超快开关，有助于提高整体系统效率。这些SJ MOS的鲁棒性确保了在宽工作温度范围和各种负载条件下的稳定运行。

能源效率和环境影响

罗姆的超结600V MOSFET在创建节能设计方面发挥着至关重要的作用。低导通电阻和高速开关的结合显著降低了功率损耗，从而实现了节能设备和系统。然而，罗姆的MOSFET对环境的影响不仅限于能源效率。通过使设备和系统更有效地运行，罗姆的SJ-MOS有助于降低能耗和碳排放，与全球环境可持续发展目标保持一致。它们紧凑的尺寸也导致了更小的产品，减少了材料的使用，减少了浪费，减少了环境足迹。

结论

超结MOSFET的独特结构实现了高击穿电压和低导通电阻。这种结构与传统的平面MOSFET不同，它利用了交替P-N层的垂直排列。这项技术的结果是一个紧凑的组件，但不会牺牲性能或可靠性。罗姆SOT-223-3-SJ MOSFET不仅满足了电子应用中小型化的严格要求，还满足了对能源效率和环境可持续性的需求。其紧凑的尺寸、快速的开关能力和低噪音的操作使其适用于各种应用，包括照明电源、工业泵和电机控制系统。
 
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