電晶體｜基礎篇
Super Junction MOSFET（SJ-MOSFET）基礎
2026.10.07
Super Junction MOSFET（SJ-MOSFET）是一種能夠在實現高耐壓的同時，易於實現低導通電阻的矽基功率MOSFET。特別是在處理商用電源輸入的AC-DC電源、PFC、LLC、返馳式轉換器以及各種工業電源中，Super Junction MOSFET對同時實現效率提升和小型化貢獻顯著。本文旨在整理這種元件的結構、設計差異、如何影響低雜訊、高速開關、短trr（反向恢復時間）以及低Qrr（反向恢復電荷）等特點，同時也會探討其中所涉及的權衡關係。
SJ-MOSFET在功率電晶體中的定位
功率電晶體的選擇必須同時關注耐壓、電流、開關頻率、效率、成本及可安裝性。IGBT在高電壓、大功率領域具有優勢；SiC MOSFET更容易將應用範圍擴展到更高耐壓、更高溫及更高頻方向；而Si MOSFET則能在高頻驅動性能與成本之間取得更好的平衡。其中，以傳統的Si MOSFET為主流的Planar MOSFET（採用均勻漂移層結構）存在難以克服的“提高耐壓能力時導通電阻（RDS(on)）會增加”問題，而SJ-MOSFET大幅解決了這一限制，在600V〜800V的Si元件中佔據著重要地位。
另外，表示功率電晶體適用領域的功率-頻率關係圖，受電路方式、冷卻條件、效率目標及容許成本等因素的影響顯著。
Planar MOSFET與SJ-MOSFET的區別
在Planar MOSFET中，漂移層承載關斷時的電壓。要想提高耐壓，就需要降低這一漂移層的濃度，並且增加其厚度。但是，漂移層的電阻會直接影響導通電阻RDS(on)，因此同時實現高耐壓和低導通電阻是有極限的。在通道導通占主導的條件下，導通損耗大致可以用Pcond ≈ Irms2 × RDS(on) 表示，因此RDS(on) 的增加會直接導致損耗上升。
相比之下，SJ-MOSFET透過在漂移層中交替形成n型柱和p型柱，在關斷時相互補償電荷，同時橫向擴展空乏層來確保耐壓。所謂電荷補償的概念，是在比Planar更高的摻雜濃度下仍能確保高耐壓性能，因此，對於相同的耐壓，更容易實現更低的RDS(on)；而對於相同的RDS(on)，則更容易縮小晶片面積。這就是SJ-MOSFET的本質優勢。
另一方面，SJ結構的製造難度較高，若p柱與n柱的電荷平衡破壞，則無法充分獲得其耐壓和導通電阻的優勢。另外，容易在更小的晶片上實現相同的導通電阻RDS(on)，這有利於降低閘極總電荷Qg和輸出電容Coss。但是，關於元件的熱餘裕量、雪崩崩潰耐受性（雪崩耐量）以及在切斷電感性負載時產生的應力耐受能力（UIS耐量）的評估，需要另行謹慎進行。也就是說，SJ-MOSFET是很重要的元件，但並非“全都是優點”，需要根據其具體特性來區分使用。
有關MOSFET固有參數的介紹說明，請參閱以下文章：
所謂MOSFET－閾值、ID-VGS特性及溫度特性
導通電阻
結構和設計上的差異如何影響特性表現？
SJ-MOSFET的特點在於，即便採用相同的SJ結構，也會因設計目標的不同而存在顯著差異。各製造商透過調整單元結構、閘極周邊結構、內部閘極電阻、閘-汲電容Cgd和輸出電容Coss的行為、Body Diode附近的設計以及載子壽命控制等手段，將產品特性分別向低雜訊、高速開關、短trr（反向恢復時間）及低Qrr（反向恢復電荷）等方向進行優化。不過，這些因素並不是相互獨立的，通常一個方面得到大幅強化，就會對其他方面產生負面影響。
以低雜訊為目標的設計
如果重視低雜訊，其基本要點在於避免開關過程中的dv/dt和di/dt變化過於陡峭。為此，可透過調節控制米勒區間的閘-汲電荷Qgd和有效Cgd的表現，並視情況採用僅作用於高頻分量的內部緩衝結構，或設置適當的內部閘極電阻，來使電壓和電流的上升更平緩。
這些方法的優勢在於更容易抑制輻射雜訊和傳導雜訊。另外，由於更容易抑制汲極電壓的過衝、振鈴以及閘極的誤動作，因此更容易設計出易於處理佈局和閘極驅動條件的電路。
不過，從原理上講，抑制雜訊往往也會導致開關速度略有放緩。這會使導通損耗和關斷損耗更容易增加，如果保持相同的熱設計，頻率提升裕度可能會變小。雖然降低雜訊本身就具有其獨立的價值，但也應認識到，這一特性是需要與效率進行權衡考量的。
以高速開關為目標的設計
在重視高速開關性能時，會朝著減少Qg和Qgd、降低內部閘極電阻、抑制影響開關的寄生分量方向進行優化。如果使用在實際閘極驅動電壓條件下觀察到的Qg，由於開關頻率fsw越高，閘極驅動損耗大致按照Pgate ≈ Qg × Vg × fsw增加，因此降低Qg對於高頻工作特別有效。此外，Qgd越小，米勒區間越短，導通與關斷的切換速度越容易加快。
這個方向的設計有助於降低開關損耗，因而有利於提升電源效率，也有利於採用小型磁性元件。這對於從輕載到中等負載的效率提升，以及透過提高開關頻率來實現電源的密度提升等應用場景，益處很大。
另一面是容易導致dv/dt和di/dt增大，同時也會受到寄生電感和寄生電容的很大影響。其結果是汲極電壓過衝、源極電位反彈、閘極振鈴、EMI惡化以及對管誤開啟等問題更容易凸顯出來。對於高速開關產品而言，即使元件本身性能優異，其整體性能的實現也需要綜合考慮電路板佈局、閘極電阻、驅動器的驅動能力以及回饋路徑的設計。
以短trr（反向恢復時間）和低Qrr（反向恢復電荷）為目標的設計
在半橋、全橋、圖騰柱PFC、馬達驅動器等應用中，MOSFET的Body Diode有時會參與換流過程。此時，重要的並不僅僅是簡單的trr長短而已。除了反向恢復電荷Qrr和反向恢復峰值電流Irrm之外，還需要關注其“恢復的銳度”，即恢復過程中的下降沿是否過於陡峭。
在追求短trr和低Qrr的設計中，會透過抑制Body Diode附近的載子積聚，或優化載子壽命和複合機制，來減少對管開通時需要抽走的電荷量，從而更容易降低換流損耗和瞬態應力。在適當的條件下，這種設計也可降低對外接快速恢復二極體（FRD）的需求。
不過，這一設計方向也有注意事項：在某些應用場景下，SJ-MOSFET的Body Diode在應對電流切換時發生的急遽開關動作時，有時條件依然非常嚴苛。即便trr很短，如果Irrm較大，雜訊和電壓尖峰也較難抑制；即使Qrr很小，若電流波形驟然中斷，也會引發振鈴。因此，不應僅憑“高速trr”這一單一標籤來判斷適用性，確認Qrr、Irrm、測量條件以及實際裝機後的波形至關重要。
特性定位與典型權衡
即便是同為SJ-MOSFET，設計時所側重的特性不同，其關注的參數和電路設計的要點也會隨之改變。具體整理如下：
| 側重的特性 | 主要關注的指標 | 獲得的效果 | 主要權衡 |
|---|---|---|---|
| 低雜訊 | Qgd、有效Cgd、內部閘極電阻、dv/dt | 降低EMI、抑制過衝和振鈴、提高易用性 | 開關損耗易增加，頻率提升裕度易減小 |
| 高速開關 | Qg、Qgd、內部閘極電阻、Eon／Eoff | 提高效率、提高頻率、有利使用小型磁性元件 | dv/dt和di/dt增大、EMI惡化、誤開通、佈局依賴性增加 |
| 高速trr、低Qrr | trr・Qrr、Irrm、恢復波形的銳度 | 減少換流損耗，降低對管應力，提高省去FRD的可能性 | 在某些條件下，硬換流的嚴苛程度依然存在，必須進行實際裝機確認。 |
判斷是否需要外接快速恢復二極體的條件
為何需要外接快速恢復二極體（FRD）
在逆變器和馬達驅動器等橋式電路中，死區時間或能量回饋期間，Body Diode可能導通，緊接著對管可能會開通。此時，需要在短時間內抽走二極體中積蓄的電荷，該過程中會產生反向恢復電流。對管不僅要承載負載電流，還要承載這個反向恢復電流，因此易導致開關損耗、電壓過衝、振鈴和電磁干擾（EMI）增加。
所以，當Body Diode的反向恢復特性不夠理想時，設計上常在MOSFET上並聯恢復速度更快的外接FRD，來抑制損耗和雜訊。增加外接FRD會導致元件數量、電路板面積、成本以及寄生分量的增加，同時，二極體在實際導通區間中，由正向電壓引起的損耗也是不可忽視的。
降低外接快速恢復二極體必要性的條件
較易降低外接FRD必要性的條件是，所選的SJ-MOSFET的Qrr和Irrm足夠小，以及電路條件使得Body Diode較難發生深度且長時間導通。例如，接近軟開關的換流過程較多的電路、能夠適當控制死區時間的電路，以及寄生電感得到充分抑制的實際安裝條件，在這些情況下僅使用內建二極體即可滿足要求。
而在硬換流頻繁發生的電路以及大電流、高溫、高頻的條件下，去除外接FRD的難度則會急遽上升。因此，不能簡單概括為“因為是短trr（反向恢復時間）產品，所以不需要FRD”，應該預先評估在該電路中，Body Diode究竟會以多大電流導通多長時間，這非常重要。
判斷快恢復二極體必要性時的注意事項
在判斷是否需要外接FRD時，不應僅憑技術規格書中的trr和Qrr值就下結論，這一點至關重要。這些數值會因正向電流IF、電流變化率di/dt、結溫Tj等條件而發生顯著變化。若要進行比較，必須確保在相同條件下進行，最終需透過雙脈衝測試及實機開關波形，確認電壓尖峰、振鈴、發熱和電磁干擾情況。
技術規格書中優先確認的專案
在選擇SJ-MOSFET時，僅關注導通電阻是無法找到最優解決方案的。應至少考慮導通損耗、閘極驅動損耗與開關速度、換流損耗與雜訊，乃至穩健性。
首先，導通電阻（RDS(on)）是評估導通損耗的基本參數。然而，僅關注25℃時的典型值是不夠的，還必須考慮高溫下的增長率和實際使用電流下的損耗情況。即使在相同耐壓和相同封裝條件下，設計目標不同的產品其RDS(on)與Qg的平衡關係也會不同，因此採用RDS(on)×Qg這樣的FOM（Figure of Merit：性能指數）進行整體評估同樣是有效方法。
接下來，需確認Qg、Qgd、內部閘極電阻，必要時還需確認導通損耗Eon和關斷損耗Eoff。Qgd對米勒區間有很大影響，因此僅憑較小的Qg值來判斷是不充分的，重要的是還需要關注電荷的具體分配情況。產品開關速度越快，透過外接閘極電阻可調節的範圍越廣，但同時佈局依賴性也更強。
另外，在可能使用Body Diode的電路中，優先確認trr、Qrr、Irrm其中測量條件的一致性是絕對條件。此外，僅憑數值表有時難以判斷波形是否陡峭、是否容易產生振鈴現象，因此還需要結合特性曲線圖和應用指南進行確認。
在SJ-MOSFET中，Coss的電壓依賴性較大也是一個不容忽視的因素。由於小訊號的單一Coss值有時無法充分反映導通時的能量和振鈴易發性，因此如果條件允許，應同時確認輸出電荷Qoss和輸出電容中儲存的能量Eoss，這樣可進行更接近電路中實際表現的比較。對於重視諧振和輕載效率的電路而言，這一點尤為重要。
最後，還需要確認抗突波能力、雪崩耐量、UIS耐量等針對異常條件的穩健性。SJ-MOSFET在降低損耗方面優勢顯著，但在電路異常情況下的裕量設計是需要另行考慮的問題。選型時不僅要考慮正常運行時的效率，還要評估其在啟動、停止、突波及異常工作時所能承受的應力水準，這樣才能減少後續的返工風險。
總結
SJ-MOSFET的選擇，並非僅僅是“挑選低導通電阻的MOSFET”那麼簡單。這項工作需要在元件上反映出電路設計中的優先順序，比如容許多大程度的雜訊、需要多高的開關速度、對Body Diode的反向恢復特性要求有多嚴格。
從這個意義上說，低雜訊、高速開關、短路恢復時間（trr）、低反向恢復電荷（Qrr）等特性，不應僅僅理解為不同型號產品的差異，而應視為由結構和設計差異所產生的特性波動範圍，這樣理解更接近本質。比較技術規格書中的數值與實際裝機後的波形，尋找效率、雜訊和穩健性的最佳平衡點，是用好SJ-MOSFET的關鍵所在。
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