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变频家电低负载功耗再降56%,谁是幕后英雄?

时间:2017-07-31 作者:邵乐峰 阅读:
有数据显示,当前全球电力需求中的近50%被用于电机驱动,如何大幅降低正常运转时的功耗,是业界普遍关心的问题。
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近年来,节能化趋势日益加速,家电产品倾向于采用更接近实际使用情况的能效标识APF(Annual Performance Factor)。也就是说,不再仅仅关注功率负载较大的设备在启动时和额定条件下的节能,在负载较小的正常运转时也要能实现节能。有数据显示,当前全球电力需求中的近50%被用于电机驱动,如何大幅降低正常运转时的功耗,是业界普遍关心的问题。CkqEETC-电子工程专辑

在此背景下,ROHM日前开发出“拥有业界最快trr性能的功率MOSFET”产品PrestoMOS R60xxMNx系列。通过优化ROHM独有的芯片结构,在保持PrestoMOS“高速trr性能”特征的基础上,成功地使Ron和Qg值显著降低。由此,在变频空调等电机驱动的应用中,轻负载时的功率损耗与以往的IGBT相比,降低约56%,节能效果非常明显。CkqEETC-电子工程专辑
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与以往产品性能对比CkqEETC-电子工程专辑

突破价格限制,超级结MOS迎来爆发CkqEETC-电子工程专辑

“Presto”一词源于意大利语,意思是加速。罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健表示,总体而言,2014-2020年,MOSFET的整体市场需求量没有太大增长。但一个值得关注的趋势是:平面MOSFET的市场正日趋萎缩,超级结MOSFET市场正变得越来越大。“2014年前后,市场还是以平面MOS为主,但到了2016年,两者已经开始平分秋色了。预计到2020年,超级结MOS将成为主流。”水原德健将原因归结为“超级结MOS导通损耗小,更节能”。目前来看,在第零代的时候,超级结MOS价格大约是平面MOS的1.7-2倍,第一代时约为1.5倍,第二代基本上已与平面MOS的价格开始持平。而只要突破了价格瓶颈,超级结MOS就会迎来应用的爆发。CkqEETC-电子工程专辑
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罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健CkqEETC-电子工程专辑

600V MOS是目前市场上使用最多的高压MOS产品,分为标准型、高速开关型和高速trr型,前两者各占整个市场三分之一左右份额,第三者约占7%。当然,在600V之上还有650V、800V、以及1200V、1500V等产品。总体来看,600V产品占整个市场的三分之二,600V以上的产品占三分之一。CkqEETC-电子工程专辑

罗姆超级结MOS产品主要面对600V的应用,包括:CkqEETC-电子工程专辑

● 低噪音超级结MOS(EN系列)。以600V为主,电流范围从1.7安培到76安培,主要应用于家电和家电电源上。超级结MOS在正常工作时,能耗更低,但噪声过大限制了其应用。EN系列的低噪音特性,使超级结MOSFET的构造可以达到平面构造的低噪音性。CkqEETC-电子工程专辑

● 高速开关超级结MOSFET(KN系列)。以600V为主,电流范围从1.7安培到76安培。主要改变了两个特性:一是Rg,也就是门极上的电阻;另一个是Qgd,输入电荷更少,这样使开关速度更快。通过改变门极上的电荷和电阻,使开关速度变得更快,开关损耗变得更低。CkqEETC-电子工程专辑

● 兼具MOSFET构造和IGBT的特性HybridMOS。低功率时采用MOSFET的构造,在大功率时采用IGBT的优点。也就是说,不管是瞬间制冷、瞬间制热,还是正常运转时,都使能量消耗更低一些,从而实现节能。CkqEETC-电子工程专辑

最快trr性能的超级结MOSFETCkqEETC-电子工程专辑

罗姆的第二代PrestoMOS采用了新的纵向沟槽构造:一是把PN结构之间的间距变得更小;二是把N极的电流浓度变得更大。通过改变这新的构造,使产品的导通电阻更低,开关速度更快。从对比中可以看到,开关速度Qg和原有的第一代产品相比,第二代产品降低了70%,导通电阻降低了40%。在这两个特性之上,体二极管的trr特性降低了20%。可以说,第二代PrestoMOS是个开关损耗、导通损耗和trr损耗都是很小的产品。CkqEETC-电子工程专辑
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罗姆第二代PrestoMOS采用了新的纵向沟槽构造设计CkqEETC-电子工程专辑

通常,一旦发生短路,就会引起元件异常发热、甚至受损的可能性。一直以来,因性能与短路之间的制约关系,确保超强的短路耐受能力是非常困难的,而R60xxMNx系列利用ROHM的模拟技术优势,对热失控的成因---寄生双极晶体管成功地进行了优化,可确保电机驱动所必须的短路耐受能力,减轻了因电路误动作等导致的异常发热带来的破坏风险,有助于提高应用的可靠性。CkqEETC-电子工程专辑

自导通损耗微小是R60xxMNx系列所具备的另一大特点。众所周知,自导通是指MOSFET在关断状态下,高边主开关一旦导通,则低边MOSFET的漏极-源极间电压急剧增加,电压被栅极感应,栅极电压上升,使得MOSFET内部产生自身功率损耗。而罗姆此番通过优化R60xxMNx系列的寄生电容,成功将该损耗控制在非常微小的最低范围内。CkqEETC-电子工程专辑
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超强短路耐受与抑制自导通能力CkqEETC-电子工程专辑

第二代PrestoMOS产品已于2016年12月份开始以月产10万个规模投入量产,前期工序的生产基地为ROHM Apollo Co., Ltd.,后期工序的生产基地为ROHM Semiconductor (Korea) Co., Ltd.。CkqEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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