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600V超接合面MOSFET PrestoMOS系列具有快速反向恢復時間
 

【作者: ROHM】   2019年03月21日 星期四

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據瞭解,在全球的功率需求中,近50%用於馬達驅動,隨著生活家電在新興國家的普及,馬達驅動帶來的功率消耗量預計會逐年增加。一般來說,包括空調和冰箱在內,生活家電多使用變頻電路進行馬達驅動,而變頻電路的開關元件通常會使用IGBT。



圖一 : (圖左)應用裝置優勢比較/(圖右)節能空調輕載時INVERTER功率損耗比較
圖一 : (圖左)應用裝置優勢比較/(圖右)節能空調輕載時INVERTER功率損耗比較

然而,近年來在節能性能需求高漲的大趨勢下,可有效降低裝置穩定運行時功耗的MOSFET正在逐步取代IGBT。在這種背景下,ROHM於2012年成為第一家開始量產以最快反向恢復特性為特點的功率MOSFET PrestoMOS,且由於該系列產品可大大降低應用的功耗,因此受到市場的高度好評。


ROHM推出600V耐壓超接合面MOSFET「PrestoMOS」系列產品,在保持最快反向恢復時間的同時, 提高設計靈活度,非常適用於空調、冰箱等生活家電及工控裝置(充電樁等)的馬達驅動以及EV充電樁。



圖二 :  ROHM 600V超接合面MOSFET PrestoMOS全新R60xxJNx系列
圖二 : ROHM 600V超接合面MOSFET PrestoMOS全新R60xxJNx系列

此次研發的新系列產品與傳統產品同樣利用了ROHM獨有的LifeTime控制技術,實現了最快的反向恢復時間(trr)。與IGBT相比,輕負載時的功耗成功減少了 58%左右。


另外,透過提高導通MOSFET所需要的電壓基準,可以避免發生造成損耗增加原因之一的誤開啟(Self Turn-on)現象。不僅如此,還透過最佳化內建二極體的 特性,改善了超接合面MOSFET特有的軟恢復指數,可減少引發誤動作的雜訊干擾。透過減少這些阻礙使用者實行最佳化電路時的障礙,以提高設計靈活度。


什麼是PrestoMOS


圖三 : 高速trr規格600V SJ-MOSFET的性能比較
圖三 : 高速trr規格600V SJ-MOSFET的性能比較

Presto表示「極快」,是源自於義大利語的音樂術語。通常MOSFET具有快速開關以及在低電流範圍的低導通損耗的優勢。例如,用於空調的情況下,非常有助於穩定運轉時實現低功耗。 PrestoMOS正是在低電流範圍實現低功耗、以最快的反向恢復時間(trr)為特點的ROHM獨創的功率MOSFET。


提高設計靈活度的關鍵

開關速度的高速化與誤開啟現象、雜訊干擾是相悖的,使用者在電路設計時需要透過調整閘極電阻來進行最佳化。與一般的MOSFET相比,ROHM的 R60xxJNx系列已經採取了針對誤開啟現象以及雜訊的對策,有助於提高設計靈活度。


1.避免增加損耗的誤開啟對策


圖四 :  本系列產品擴大了用戶透過閘極電阻來進行損耗調節的範圍。
圖四 : 本系列產品擴大了用戶透過閘極電阻來進行損耗調節的範圍。

本系列產品透過最佳化MOSFET結構上存在的寄生電容,將開關時的額外閘極電壓降低了20%。另外,使MOSFET導通所需的閾值電壓(Vth)增加了約1.5倍,是「不易產生誤開啟現象的設計」。因此,擴大了用戶透過閘極電阻來進行損耗調節的範圍。


2.改善恢復特性,減少雜訊干擾


圖五 : 恢復波形比較
圖五 : 恢復波形比較

一般來說,超接合面MOSFET的內建二極體的恢復特性為硬恢復。 然而,ROHM的R60xxJNx系列,透過最佳化結構,與傳統產品相比,新產品的軟恢復指數改善了30%,不僅保持了最快的反向恢復時間(trr),還成功減少了雜訊干擾。因此,用戶可更輕易地透過閘極電阻來調節雜訊干擾。


名詞解釋

[1] trr : 反向恢復時間(Reverse Recovery Time)開關二極體從導通狀態到完全關斷狀態所需的時間。


[2] 誤開啟現象: 對MOSFET外加急劇的電壓時,會產生額外的閘極電壓,超過產品特定的閾值而使MOSFET誤導通的現象。此時產生的不必要的導通時間會直接導致損耗增加。一般多發於逆變電路等橋式電路,通常需要採取增加外接零件等對策。



圖六 :  SJ-MOS的恢復波形示意圖。
圖六 : SJ-MOS的恢復波形示意圖。

[3]軟恢復指數:通常,二極體存在反向恢復時間(trr)短但容易產生雜訊的硬恢 復,和不容易產生雜訊但反向恢復時間(trr)長的軟恢復兩種復原模式,尤其在超接合面MOSFET內建的二極體,其使用硬恢復的特性較為顯著。圖中的ta÷tb是用來表示軟恢復性能的指數。


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