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Sep 28, 2023

スーパージャンクション MOSFET が高効率の世界に挑戦

世界の送電網が需要の増加に追いつくのに苦労している中、パワー半導体業界は、より少ないコストでより多くのことを実現する革新的な方法を模索し続けています。 ローム、アルファ アンド オメガ セミコンダクター、および

世界の送電網が需要の増加に追いつくのに苦労している中、パワー半導体業界は、より少ないコストでより多くのことを実現する革新的な方法を模索し続けています。 ローム、アルファ＆オメガ セミコンダクター、および東芝は、まさにその目的のために設計されたスーパージャンクション パワー MOSFET (SJ MOSFET) 製品ラインの最新部品を発表しました。

MOSFET に多くの時間を費やしたことがあれば、RDS(on) (オン時のドレインとソース間の抵抗) の問題をよく理解しているでしょう。 RDS(on) が低いほど、損失が小さくなり、電流による発熱が減少します。 ただし、RDS(on) は通常、電圧、電流、スイッチング速度が増加するにつれて増加します。 多くのクラスの機器、特にモーターと電力制御の設計者は、より高い電圧を使用して同じ電力定格で電流を削減し、デバイスのノイズ特性を改善したいと考えています。 その後、RDS(on) が高くなると、効率目標に反して作用します。

MOSFET の電力損失のもう 1 つの主な要因は、スイッチング時間です。 完全にオフまたは完全にオンの場合、ゲート電流は実質的にゼロになります。 ただし、スイッチング中、デバイスはゲートを介して電流を引き込みます。 MOSFET には少量のゲート容量があり、最大スイッチング時間に影響を及ぼし、ゲート容量の充電または放電中に電流が流れます。 回路内のスイッチング時間はほぼ固定されているため、クロック速度が高くなると、ゲート電流がより高い時間で消費されることになります。

ちなみに、これが、MOSFET デバイスの未使用入力をフローティングすべきではない理由の 1 つです。 フローティング ゲート上のノイズは、たとえ電流がフローティング ゲートに流れていない場合でも、スイッチング電流損失につながります。

SJ MOSFET は、業界が RDS(on) とスイッチング時間の課題に対処する方法の 1 つです。 この記事では、ローム、アルファ＆オメガ、東芝の 3 つの新しい 600 V SJ MOSFET を紹介します。

600V SJ MOSFET

ID (最大連続/パルス)

4A～9A

12A～27A

50A/200A

40A/160A

RDS(オン)

510mΩ～1,330mΩ

<50mΩ

<55mΩ、最大

Trr (逆転までの時間)

40ns

450ns

対象アプリケーション

ロームは、PrestoMOS SJ MOSFET 製品ラインに 3 つの新しいモデルを追加しました。 ロームのデバイスは、低ノイズと内蔵ボディ ダイオードの逆回復時間 (Trr) の速さを重視しています。 ロームは 40 ns で、600 V MOSFET で利用可能な最速の Trr を主張しています。 低Trrによりスイッチング損失を約30%低減し、ノイズを抑えます。

これまで線間電圧 AC モーターを使用していた多くのデバイスは、ノイズを低減し、消費電力を削減し、制御性を向上させるために、現在ではブラシレス DC (BLDC) モーターを使用しています。 これには、冷蔵庫、換気扇、エアコン、その他さまざまな中負荷サイクルの小型モーターデバイスなどの機器が含まれます。 これらの製品の最新バージョンでは、MOSFET パワー インバータを使用して高電圧 DC 電力を生成し、MOSFET ベースのパワー インバータとモータ ドライバを使用します。

フルオン/フルオフの AC モーターから切り替えることにより、たとえば冷蔵庫では、生涯消費電力が 20 ～ 30% 削減され、オーディオ ノイズ レベルがはるかに低くなります。 ロームが R60xxRNx シリーズでターゲットにしているのは、このタイプのアプリケーションです。

以前の世代の MOSFET では、高速で動作させるために追加の複雑なノイズ低減回路が必要でした。 この世代の SJ MOSFET は、40 MHz のスイッチング速度でノイズ特性を 40 dB 低下させることでその回路の必要性を減らし、設計サイクルの短縮とディスクリート部​​品の削減を可能にします。

Alpha and Omega Semiconductor は、αMOS7 と呼ばれる新しい 600 V SJ MOSFET 製品ラインの最初のモデルを発表しました。 AOK050V60A7 は、TO-247 パッケージで、25°C で 50 A の連続ドレイン電流と最大 200 A のパルスドレイン電流をサポートします。

上で説明したロームのデバイスは、モーターおよびモーター電力インバーター用の 10 A 未満の電流負荷向けに設計されていますが、Alpha および Omega SJ MOSFET は、チタン定格サーバー電源、EV などのミッションクリティカルな電源システム向けに設計された高電流デバイスです。充電、太陽光発電用インバータ装置。