采用优化的超结场效应晶体管技术的固态继电器
使新一代廉价、可靠、功能丰富的固态继电器能够与传统的EM继电器性能相匹配
简介
尽管基于一个世纪的技术，机电继电器(EMR)仍然广泛用于交换交流和直流负载。在提供高功率密度的同时，EMRs在可控性和可靠性方面面临着限制。
今天的固态继电器是基于triac (可控硅整流器(交流系统的可控硅)或标准平面mosfet(直流系统)作为开关元件和用于控制的光隔离驱动器。最先进的SSRs的已知限制是可实现的最大输出电流、高功耗、尺寸和总解决方案成本。
标准SSRs的可控性是有限的。基于scr的继电器只能支持随机相开、过零开和零电流关断。由于可控硅正向压降高，最小功耗为0.6-1 W/A。
标准的基于mosfet的继电器使用带有R的器件DS(上)优点值(FOM)为2-3 Ω∙mm²，导致大而昂贵的半导体模具。对于高电流，标准的mosfet SSRs是单端和直流的。
英飞凌最近推出了新的600v CoolMOS™S7系列，优化为成本敏感的静态开关应用。该技术实现了新一代250 V固态继电器的实现交流/直流，与传统机电继电器的性能相匹配。
新技术的优点有很多:
- 芯片尺寸的减小导致了更高的封装密度，特别是在交流和直流开关的两个fet背对背配置中。
- mosfet的可控性使智能SSRs具有全面的控制功能，包括相位控制，分段控制，零电流开关和零电压开关。
- 基于fet的SSRs增加了鲁棒性和保护特性，可以消除外部熔合元件的必要性。
超结(SJ)技术:让不可能变为可能
减少特定的RDS(上)∙A (Ω∙mm²)FOM，英飞凌于1999年推出CoolMOS™技术，该技术首次启用了采用超结概念[1]的新型漏极结构。
随着最新一代CoolMOS™SJ mosfet的引入，针对静态开关应用进行了优化600v CoolMOS™S7高压超结MOSFET系列实现了前所未有的低RDS(上)∙一个FOM为0.6 Ω∙mm²。这使得在以前不可能实现的功率等级和封装密度下实现固态继电器成为可能。
这些改进使具有RDS(上)取值到22 mΩ人数SMD包装．600v CoolMOS™S7系列产品不同包中的10个mΩ、22个mΩ、40个mΩ和65个mΩ已经可用。
功耗预算和选择合适的SJ场效应管
在EMRs中，有两部分分别造成了功率损耗、线圈损耗和接触电阻引起的传导损耗。
在这两种情况下，线圈损耗与负载电流无关，也并非无关紧要:即使是高灵敏度EMRs，其线圈损耗通常也有几个10s或1000s mW。
基于fet的固态继电器只需要非常小的开关能量，完全不需要保持功率。此外，传导损耗在其寿命期内不会增加。
因此，根据功耗预算，设计者可以选择具有所需R的晶体管对DS(上)．图1显示了最大总R的示意图DS(上)(即两个背靠背fet的和)，取决于四种不同功耗预算的负载电流。
可以看到，目前可用的600v CoolMOS™S7系列能够实现不同功率级别的低功耗继电器。
安全操作区域(SOA)、门驱动和健壮性
芯片尺寸的不断缩小使器件在小的封装中具有超低的通电阻。当使用新的电源SMD包，如QDPAK，以前不可能的低RDS(on)值下降到10 mΩ是可能的。
然而，这些优点也伴随着电路设计者必须考虑的某些条件，特别是在构建固态继电器时。
整体上更小的芯片与相似的标准fet相比，热容降低，热阻增加DS(上)类。这在安全操作图[2]中得到了最好的总结，它比标准mosfet[3]更窄。
由于标准mosfet通常具有较大的SOA图，它们对输出电流较小的门驱动不太敏感。光伏光电隔离器(元太)通常使用的原因是它们的简单性:驱动器不需要外部的、隔离的电源。
为了确保安全可靠的运行，无论是缓冲输出驱动器或标准的、带单独电源的隔离门驱动器都是SSRs所必需的。输出缓冲区也可以用离散组件实现，只增加了最小的复杂性。
结论
近年来，超结场效应晶体管技术的进步使低成本、低R的实现成为可能DS(上)，高压mosfet。随着最新CoolMOS™系列的推出，S7静态开关产品在美国，电路设计人员现在拥有了制造小型、廉价、可靠的固态继电器的基本构件，以提高他们的市场竞争力。
要了解更多英飞凌广泛前沿的改变游戏规则的解决方案组合，并找到最适合您的需求，请浏览我们的相关网页内容．
参考文献
[1] Hancock J.， Stueckler F.， Vecino E.，“CoolMOS™C7:掌握快速的艺术，技术描述和设计指南，”使用说明AN2013-04 V1.0，英飞凌科技，2013年4月
英飞凌科技，“高压超结mosfet的线性模式操作:CoolMOS™第7代器件在线性模式下的挑战”，应用注释AN_2002_PL52_2005_1727262020年6月;点击打开
肖iswohl J.“功率- mosfet的线性模式操作和安全操作图，”应用注释AP99007，英飞凌科技，2017年5月
参考文献
[1] Hancock J.， Stueckler F.， Vecino E.，“CoolMOS™C7:掌握快速的艺术，技术描述和设计指南，”使用说明AN2013-04 V1.0，英飞凌科技，2013年4月
英飞凌科技，“高压超结mosfet的线性模式操作:CoolMOS™第7代器件在线性模式下的挑战”，应用注释AN_2002_PL52_2005_1727262020年6月;点击打开
肖iswohl J.“功率- mosfet的线性模式操作和安全操作图，”应用注释AP99007，英飞凌科技，2017年5月
