Beleuchtungen, Pumpen und Elektromotoren Kompaktere Designs bei Stromversorgungen

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In der heutigen Ära der Miniaturisierung spielt die Leistungselektronik eine zentrale Rolle. Mit der stetig wachsenden Nachfrage nach kompakteren und gleichzeitig effizienteren Bauteilen, insbesondere MOSFETs, gewinnt die Herausforderung, hohe Leistung auf kleinstem Raum zu gewährleisten, zunehmend an Bedeutung.

Die Miniaturisierung in der Leistungselektronik treibt die Entwicklung kompakter Stromversorgungen voran und erhöht die Nachfrage nach kleinen, effizienten MOSFETs. Dieser Trend betrifft nicht nur die Unterhaltungselektronik, sondern auch industrielle Anwendungen wie Beleuchtung, Pumpen und Motoren. Dabei geht es nicht nur um kleinere Abmessungen, sondern auch um höhere Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Die Herausforderung besteht darin, Stromversorgungen zu entwickeln, die trotz kleinerer Bauweise effizient und zuverlässig bleiben. Um höhere Spannungen und niedrige Einschaltwiderstände in MOSFETs zu erreichen, mussten bisher Abmessungskompromisse eingegangen werden. Super-Junction-MOSFETs (SJ-MOSFETs) nutzen ein spezielles Herstellungsverfahren, das eine dichtere Dotierung ermöglicht, wodurch der Durchlasswiderstand verringert wird, ohne die Hochspannungssperre zu beeinträchtigen. SJ-MOSFETs bieten somit höhere Leistung bei kompakten Abmessungen – entscheidend für moderne Elektronikanwendungen. Dieser Artikel erklärt die Funktionsweise und das Design von SJ-MOSFETs und beleuchtet ihre Bedeutung für das Gleichgewicht zwischen Miniaturisierung und hoher Leistung, insbesondere in industriellen Anwendungen.

Hohe Durchbruchspannung und niedriger Einschaltwiderstand

Die hohe Durchbruchspannung und der niedrige Einschaltwiderstand der SJ-MOSFETs sind auf ihre einzigartige Struktur und ein spezielles Herstellungsverfahren zurückzuführen. Herkömmliche MOSFETs werden mit einer planaren Struktur gefertigt, bei der die Durchbruchsspannung eine Funktion der Dotierungskonzentration sowie der Dicke der N-Epitaxie-Schicht ist. Dies erfordert einen Kompromiss zwischen höherer Durchbruchspannung und erhöhtem Durchlasswiderstand aufgrund des höheren Widerstands im stark dotierten Driftbereich. SJ-MOSFETs überwinden diese Einschränkung mit Hilfe einer vertikalen Struktur aus abwechselnden P- und N-Schichten entlang des Driftbereichs, dem so genannten Super-Junction. Fortgeschrittene Techniken wie die Deep-Trench-Technology und das Multi-Epitaxie-Schichtwachstum ermöglichen eine präzise Steuerung der Dotierungsniveaus und der Dicke der einzelnen Schichten. Dadurch wird ein Gleichgewicht erreicht, das die Durchbruchspannung maximiert. Auf diese Weise verteilt sich das elektrische Feld gleichmäßig über den Halbleiter. Ein niedriger Einschaltwiderstand wird durch eine Erhöhung der Dotierungskonzentration im N-Bereich erreicht, um die Breite der Verarmungszone zu verringern.

600V-SJ-MOSFETs im SOT-223-3-Gehäuse

Rohm bietet eine Reihe von kompakten 600V-SJ-MOSFETs im SOT-223-3-Gehäuse für kommerzielle und industrielle Anwendungen. Die Produktlinie umfasst die SJ-MOSFETs R6004END4, R6003KND4, R6006KND4, R6002JND4 und R6003JND4. Drei Modelle sind für Stromversorgungen optimiert. Der R6004END4 zeichnet sich durch einen rauscharmen Betrieb aus und ist ideal für Anwendungen, bei denen Rauschen eine Rolle spielt. Er kann herkömmliche Planar-MOSFETs nahtlos ersetzen. R6003KND4 und R6006KND4 sind prädestiniert für Systeme, die hohe Schaltgeschwindigkeiten und einen hohen Wirkungsgrad erfordern. Die Serien R6002JND4 und R6003JND4 verwenden Rohms PrestoMOS-Technologie, die kürzere Sperrverzögerungszeiten (trr) ermöglicht.

Die PrestoMOS Technologie

Presto ist ein italienischer Begriff aus der Musik. Er bedeutet „sehr schnell“. Die PrestoMOS-Technologie wurde entwickelt, um die Sperrverzögerungszeit der internen MOSFET-Diode zu verringern. Dies ist ein großer Vorteil bei Anwendungen mit schnellen Schaltvorgängen, zum Beispiel bei der Pulsweitenmodulation (PWM) in Motoransteuerungen, wo selbst Verzögerungen im Mikrosekundenbereich zu Effizienzverlusten führen können. In Motorsteuerungssystemen ermöglichen kürzere Sperrverzögerungszeiten eine präzise Steuerung von Motordrehzahl und -drehmoment, was zu feineren Einstellungen und verbesserter Leistung führt. Darüber hinaus verbessern geringere Schaltverluste die Energieeffizienz und verringern die thermische Belastung der Komponenten, was deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit erhöht.

Hauptmerkmale und Vorteile

Rohms SOT-223-3-600V-MOSFETs bieten gegenüber Standard-SJ-MOSFETs einige Verbesserungen in Bezug auf Größe und Schaltgeschwindigkeit, während die R60xxENx/R60xxKNx-Modelle niedrige Verluste und einen rauscharmen Betrieb aufweisen.

Miniaturisierung und Integration: SOT-223-3 vs. TO-252: Rohms SOT-223-3 600V-MOSFETs bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen kompaktem Design und robuster Leistung in einem Gehäuse mit kleinerer Grundfläche und Höhe als das TO-252-Gehäuse. Es erfüllt somit den Bedarf an Platzeinsparungen ohne Leistungseinbußen. Die SOT-223-3-Gehäuse sind mit dem TO-252-Footprint kompatibel, was eine einfache Integration in bestehende Leiterplatten ermöglicht. Diese Eigenschaft kommt Entwicklern zugute, die ihre Systeme mit fortschrittlicheren Komponenten ohne Redesign aufrüsten wollen.

Reduzierte Fläche und Höhe: Die SJ-MOSFETs R600xEND4, R600xKND4 und R600xJND4 bieten im Vergleich zu Standard-TO-252-Produkten eine deutliche Reduzierung der Grundfläche und der Höhe um 31 Prozent bzw. 27 Prozent. Bei Stromversorgungen für Beleuchtungen führt diese Miniaturisierung zu einer effizienten Nutzung des Platzes. Zudem ermöglicht sie schlankere, attraktivere Beleuchtungslösungen ohne Einbußen bei der elektrischen Leistung. Bei Pumpen und Motoren, insbesondere in Haushaltsgeräten oder HLK-Anlagen, gestattet die Miniaturisierung die Entwicklung kleinerer, energieeffizienterer Geräte. Das SOT-223-3-Gehäuse misst 6,5 mm x 7,0 mm x 1,66 mm, was die Gesamtkompaktheit verbessert und die Integration dieser MOSFETs in kleinere Schaltungen erleichtert. Bild 2 zeigt die Abmessungen von DPAK- und SOT-223-3-Gehäuse.

Rauscharmer Betrieb: Um eine konstante Leistung zu gewährleisten und Interferenzen zu vermeiden, ist bei Stromversorgungen die Minimierung des elektrischen Rauschens von entscheidender Bedeutung. So werden die die Funktion benachbarter elektronischer Geräte nicht beeinträchtigt. Der SJ-MOSFET R600xEND4 sorgt für einen rauscharmen Betrieb und trägt so zur Entwicklung genauerer und zuverlässigerer Geräte bei.

Hochgeschwindigkeits-Schalten: Die Hochgeschwindigkeits-Schaltfähigkeit der R600xKND4-Serie ist entscheidend für den effizienten Betrieb in Leistungsumwandlungsschaltungen und Regelkreisen. In LED-Beleuchtungen ermöglicht ein schnelleres Schalten eine präzisere Steuerung der Lichtintensität und -farbe, was zur Energieeinsparung beiträgt und die Lebensdauer der LEDs verlängert. Ebenso ist ein schnelles Schalten in Dimmersystemen von Vorteil, um eine gleichmäßige und flackerfreie Beleuchtung zu gewährleisten. Die R600xKND4-Serie eignet sich auch für Anwendungen, die eine schnelle Anpassung erfordern, zum Beispiel drehzahlgeregelte Pumpen oder Lüftersteuerungen und/oder Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Geringe Schaltverluste: Die PrestoMOS-Technologie verbessert die Sperrverzögerungszeit der MOSFETs, was für Anwendungen wie Motoransteuerungen und anderen induktiven Lasten, bei denen schnelle Schaltvorgänge häufig vorkommen, von entscheidender Bedeutung ist. Die reduzierten Schaltverluste schlagen sich direkt in einer niedrigeren Leistungsaufnahme und einer geringeren Wärmeentwicklung im Bauelement nieder. Diese Verringerung der thermischen Belastung verlängert nicht nur die Lebensdauer des SJ-MOSFETs, sondern trägt auch zur allgemeinen Zuverlässigkeit und Leistung des Systems bei.

Hauptanwendungen

Mit den SJ-MOSFETs von Rohm können Entwickler kompaktere Stromversorgungen für industrielle und kommerzielle Beleuchtungssysteme entwerfen. Sie bieten hohe Schaltgeschwindigkeit bei reduzierten Schaltverlusten, was den Energieverbrauch in Übergangsphasen minimiert und die Effizienz erhöht. Der niedrige Einschaltwiderstand reduziert die Wärmeentwicklung, was einfachere und kostengünstigere Wärmemanagementlösungen ermöglicht. In Industriepumpen bieten die Lösungen im Vergleich zu typischen SJ-MOSFETs erhebliche Vorteile hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit und Kompaktheit. Ihre kürzeren Sperrverzögerungszeiten minimieren die Schaltverluste in AC/DC-Wandlern für Industriepumpen. Die hohe Spannungsfestigkeit gewährleistet zudem einen stabilen Betrieb bei schwankenden Spannungen.

Die SJ-MOSFETs von Rohm bieten eine verbesserte Leistung und Energieeinsparungen in Motoranwendungen, Industriemaschinen und Verbrauchergeräten. Die MOSFETs zeichnen sich durch einen niedrigen Einschaltwiderstand aus, der die Leitungsverluste in Motorsteuerungssystemen verringert, und durch schnelles Schalten in Umrichtern für die Motorsteuerung, was die Effizienz des gesamten Systems verbessert. Die Robustheit dieser SJ-MOSFETs gewährleistet einen stabilen Betrieb.

Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit

Rohms 600V-SJ-MOSFETs spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung nachhaltiger Designs. Die Kombination aus niedrigem Einschaltwiderstand und hoher Schaltgeschwindigkeit führt zu energieeffizienten Geräten und Systemen. Die Umweltauswirkungen der MOSFETs von Rohm gehen jedoch über die reine Energieeffizienz hinaus. Durch den effizienteren Betrieb reduzieren sie den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen, was zur ökologischen Nachhaltigkeit beiträgt. Ihre kompakte Größe verringert den Materialverbrauch, reduziert Abfall und minimiert den ökologischen Fußabdruck.

Fazit

Die spezielle Konstruktion von Super-Junction-MOSFETs ermöglicht eine hohe Durchbruchspannung und einen niedrigen R_DS(ON)). Diese Struktur ist eine Abkehr von den herkömmlichen planaren MOSFETs. Diese Technologie führt zu einem kompakten Bauelement ohne Einbußen bei Leistung oder Zuverlässigkeit. Rohms SOT-223-3-SJ-MOSFETs erfüllen die Anforderungen an Miniaturisierung, Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit. Dank ihrer Kompaktheit, schnellen Schaltfähigkeit und ihres rauscharmen Betriebs sind sie ideal für verschiedene industrielle und kommerzielle Anwendungen geeignet. (mr)

* Heath Ogurisu ist Technical Product Marketing Manager bei ROHM

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