ROHM课堂丨超级结MOSFET（SJ-MOSFET）基础

超级结MOSFET（SJ-MOSFET）是一种能够在实现高耐压的同时，易于实现低导通电阻的硅基功率MOSFET。特别是在处理商用电源输入的AC-DC电源、PFC、LLC、反激式转换器以及各种工业电源中，超级结MOSFET对同时实现效率提升和小型化贡献显著。本文旨在梳理这种器件的结构、设计差异、如何影响低噪声、高速开关、短trr（反向恢复时间）以及低Qrr（反向恢复电荷）等特点，同时也会探讨其中所涉及的权衡关系。

SJ-MOSFET在功率晶体管中的定位

功率晶体管的选型必须同时关注耐压、电流、开关频率、效率、成本及可安装性。IGBT在高电压、大功率领域具有优势；SiC MOSFET更容易将应用范围扩展到更高耐压、更高温及更高频方向；而Si MOSFET则能在高频驱动性能与成本之间取得更好的平衡。其中，以传统的Si MOSFET为主流的平面型MOSFET（采用均匀漂移层结构）存在难以克服的“提高耐压能力时导通电阻（RDS(on)）会增加”问题，而SJ-MOSFET大大缓解了这一限制，在600V〜800V级的Si器件中占据着重要地位。

另外，表示功率晶体管适用领域的功率-频率关系图，受电路方式、冷却条件、效率目标及容许成本等因素的影响显著。

平面型MOSFET与SJ-MOSFET的区别

在平面型MOSFET中，漂移层承载关断时的电压。要想提高耐压，就需要降低这一漂移层的浓度，并且增加其厚度。但是，漂移层的电阻会直接影响导通电阻RDS(on)，因此同时实现高耐压和低导通电阻是有极限的。在沟道导通占主导的条件下，导通损耗大致可用 Pcond ≈ Irms2 × RDS(on) 表示，因此RDS(on) 的增加会直接导致损耗上升。

相比之下，SJ-MOSFET通过在漂移层中交替形成n型柱和p型柱，在关断时相互补偿电荷，同时横向扩展耗尽层来确保耐压。所谓电荷补偿的概念，是在比平面型更高的掺杂浓度下仍能确保高耐压性能，因此，对于相同的耐压，更容易实现更低的RDS(on)；而对于相同的RDS(on)，则更容易缩小芯片面积。这就是SJ-MOSFET的本质优势。

另一方面，SJ结构的制造难度较高，若p柱与n柱的电荷平衡破坏，则无法充分获得其耐压和导通电阻的优势。另外，容易在更小的芯片上实现相同的导通电阻RDS(on)，这有利于降低栅极总电荷Qg和输出电容Coss。但是，关于器件的热裕量、雪崩能量耐受性（雪崩耐量）以及在切断感性负载时产生的应力耐受能力（UIS耐量）的评估，需要另行谨慎进行。也就是说，SJ-MOSFET是很重要的器件，但并非“全都是优点”，需要根据其具体特性来区分使用。

结构和设计上的差异如何影响特性表现？

SJ-MOSFET的特点在于，即便采用相同的SJ结构，也会因设计目标的不同而存在显著差异。各制造商通过调整单元结构、栅极周边结构、内部栅极电阻、栅-漏电容Cgd和输出电容Coss的行为、体二极管附近的设计以及载流子寿命控制等手段，将产品特性分别向低噪声、高速开关、短trr（反向恢复时间）及低Qrr（反向恢复电荷）等方向进行优化。不过，这些因素并不是相互独立的，通常一个方面得到大幅强化，就会对其他方面产生负面影响。

以低噪声为目标的设计

如果重视低噪声，其基本要点在于避免开关过程中的dv/dt和di/dt变化过于陡峭。为此，可通过调节控制米勒平台的栅-漏电荷Qgd和有效Cgd的表现，并视情况采用仅作用于高频分量的内部缓冲结构，或设置适当的内部栅极电阻，来使电压和电流的上升更平缓。

这些方法的优势在于更容易抑制辐射噪声和传导噪声。另外，由于更容易抑制漏极电压的过冲、振铃以及栅极的误动作，因此更容易设计出易于处理布局和栅极驱动条件的电路。

不过，从原理上讲，抑制噪声往往也会导致开关速度略有放缓。这会使导通损耗和关断损耗更容易增加，如果保持相同的热设计，频率提升裕度可能会变小。虽然降低噪声本身就具有其独立的价值，但也应认识到，这一特性是需要与效率进行权衡考量的。

以高速开关为目标的设计

在重视高速开关性能时，会朝着减少Qg和Qgd、降低内部栅极电阻、抑制影响开关的寄生分量方向进行优化。如果使用在实际栅极驱动电压条件下观察到的Qg，由于开关频率fsw越高，栅极驱动损耗大致按照Pgate ≈ Qg × Vg × fsw增加，因此降低Qg对于高频工作特别有效。此外，Qgd越小，米勒平台越短，导通与关断的切换速度越容易加快。

这个方向的设计有助于降低开关损耗，因而有利于提升电源效率，也有利于采用小型磁性器件。这对于从轻负载到中等负载的效率提升，以及通过提高开关频率来实现电源的密度提升等应用场景，益处很大。

另一面是容易导致dv/dt和di/dt增大，同时也会受到寄生电感和寄生电容的很大影响。其结果是漏极电压过冲、源极电位反弹、栅极振铃、EMI恶化以及对管误开通启等问题更容易凸显出来。对于高速开关产品而言，即使器件本身性能优异，其整体性能的实现也需要综合考虑电路板布局、栅极电阻、驱动器的驱动能力以及反馈路径的设计。

以短trr（反向恢复时间）和低Qrr（反向恢复电荷）为目标的设计

在半桥、全桥、图腾柱PFC、电机驱动器等应用中，MOSFET的体二极管有时会参与换流过程。此时，重要的并不仅仅是简单的trr长短而已。除了反向恢复电荷Qrr和反向恢复峰值电流Irrm之外，还需要关注其“恢复的锐度”，即恢复过程中的下降沿是否过于陡峭。

在追求短trr和低Qrr的设计中，会通过抑制体二极管附近的载流子积聚，或优化载流子寿命和复合机制，来减少对管开通时需要抽走的电荷量，从而更容易降低换流损耗和瞬态应力。在适当的条件下，这种设计也可降低对外置快恢复二极管（FRD）的需求。

不过，这一设计方向也有注意事项：在某些应用场景下，SJ-MOSFET的体二极管在应对电流切换时发生的急剧开关动作时，有时条件依然非常苛刻。即便trr很短，如果Irrm较大，噪声和电压尖峰也较难抑制；即使Qrr很小，若电流波形骤然中断，也会引发振铃。因此，不应仅凭“高速trr”这一单一标签来判断适用性，确认Qrr、Irrm、测量条件以及实际装机后的波形至关重要。

特性定位与典型权衡

即便是同为SJ-MOSFET，设计时所侧重的特性不同，其关注的参数和电路设计的要点也会随之改变。具体整理如下：

判断是否需要外置快恢复二极管的条件

为何需要外置快恢复二极管（FRD）

在逆变器和电机驱动器等桥式电路中，死区时间或能量回馈期间，体二极管可能导通，紧接着对管可能会开通。此时，需要在短时间内抽走二极管中积蓄的电荷，该过程中会产生反向恢复电流。对管不仅要承载负载电流，还要承载这个反向恢复电流，因此易导致开关损耗、电压过冲、振铃和电磁干扰（EMI）增加。

所以，当体二极管的反向恢复特性不够理想时，设计上常在MOSFET上并联恢复速度更快的外置FRD，来抑制损耗和噪声。增加外置FRD会导致元器件数量、电路板面积、成本以及寄生分量的增加，同时，二极管在实际导通区间中，由正向电压引起的损耗也是不可忽视的。

降低外置快恢复二极管必要性的条件

较易降低外置FRD必要性的条件是，所选的SJ-MOSFET的Qrr和Irrm足够小，以及电路条件使得体二极管较难发生深度且长时间导通。例如，接近软开关的换流过程较多的电路、能够适当控制死区时间的电路，以及寄生电感得到充分抑制的实际安装条件，在这些情况下仅使用内置二极管即可满足要求。

而在硬换流频繁发生的电路以及大电流、高温、高频的条件下，去除外置FRD的难度则会急剧上升。因此，不能简单概括为“因为是短trr（反向恢复时间）产品，所以不需要FRD”，应该预先评估在该电路中，体二极管究竟会以多大电流导通多长时间，这非常重要。

判断快恢复二极管必要性时的注意事项

在判断是否需要外置FRD时，不应仅凭技术规格书中的trr和Qrr值就下结论，这一点至关重要。这些数值会因正向电流IF、电流变化率di/dt、结温Tj等条件而发生显著变化。若要进行比较，必须确保在相同条件下进行，最终需通过双脉冲测试及实机开关波形，确认电压尖峰、振铃、发热和电磁干扰情况。

技术规格书中优先确认的项目

在选择SJ-MOSFET时，仅关注导通电阻是无法找到最优解决方案的。应至少考虑导通损耗、栅极驱动损耗与开关速度、换流损耗与噪声，乃至稳健性。

首先，导通电阻（RDS(on)）是评估导通损耗的基本参数。然而，仅关注25℃时的典型值是不够的，还必须考虑高温下的增长率和实际使用电流下的损耗情况。即使在相同耐压和相同封装条件下，设计目标不同的产品其RDS(on)与Qg的平衡关系也会不同，因此采用RDS(on)×Qg这样的FOM（Figure of Merit：性能指数）进行整体评估同样是有效方法。

接下来，需确认Qg、Qgd、内部栅极电阻，必要时还需确认导通损耗Eon和关断损耗Eoff。Qgd对米勒平台有很大影响，因此仅凭较小的Qg值来判断是不充分的，重要的是还需要关注电荷的具体分配情况。产品开关速度越快，通过外置栅极电阻可调节的范围越广，但同时布局依赖性也更强。

另外，在可能使用体二极管的电路中，优先确认trr、Qrr、Irrm其中测量条件的一致性是绝对条件。此外，仅凭数值表有时难以判断波形是否陡峭、是否容易产生振铃现象，因此还需要结合特性曲线图和应用指南进行确认。

在SJ-MOSFET中，Coss的电压依赖性较大也是一个不容忽视的因素。由于小信号的单一Coss值有时无法充分反映导通时的能量和振铃易发性，因此如果条件允许，应同时确认输出电荷Qoss和输出电容中储存的能量Eoss，这样可进行更接近电路中实际表现的比较。对于重视谐振和轻负载效率的电路而言，这一点尤为重要。

最后，还需要确认抗浪涌能力、雪崩耐量、UIS耐量等针对异常条件的稳健性。SJ-MOSFET在降低损耗方面优势显著，但在电路异常情况下的裕量设计是需要另行考虑的问题。选型时不仅要考虑正常运行时的效率，还要评估其在启动、停止、浪涌及异常工作时所能承受的应力水平，这样才能减少后续的返工风险。

总结

SJ-MOSFET的选型，并非仅仅是“挑选低导通电阻的MOSFET”那么简单。这项工作需要在器件上反映出电路设计中的优先顺序，比如容许多大程度的噪声、需要多高的开关速度、对体二极管的反向恢复特性要求有多严格。

从这个意义上说，低噪声、高速开关、短路恢复时间（trr）、低反向恢复电荷（Qrr）等特性，不应仅仅理解为不同型号产品的差异，而应视为由结构和设计差异所产生的特性波动范围，这样理解更接近本质。比较技术规格书中的数值与实际装机后的波形，寻找效率、噪声和稳健性的最佳平衡点，是用好SJ-MOSFET的关键所在。