Evaluarea MOSFET-urilor de putere cu super-joncțiune în ceea ce privește performanța și eficiența

MOSFET-urile de putere cu super-joncțiune domină aplicațiile în comutație de înaltă tensiune de atât de mult timp încât este tentant să credem că trebuie să existe alternative mai bune. Cu toate acestea, capacitatea lor de a continua să ofere un echilibru între performanță, eficiență și rentabilitate le face indispensabile în optimizarea proiectelor electronice de putere pentru multe aplicații noi.

Disponibile în comerț încă de la începutul secolului, MOSFET-urile cu super-joncțiune pe bază de siliciu au fost create prin suprapunerea unor straturi alternante de tip p și de tip n de material semiconductor pentru a crea joncțiuni PN care au dus la reducerea rezistenței la pornire (R_DS(ON)) și a sarcinii de poartă (Q_g), în comparație cu MOSFET-urile planare tradiționale. Aceste beneficii au fost cuantificate printr-un calcul al cifrei de merit (FOM), unde FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM cuantifică valoarea rezistenței MOSFET-ului atunci când este pornit și câtă sarcină este necesară pentru pornire și oprire.

Q_g oferă o comparație utilă a performanței de comutare, dar uneori aceasta poate fi supraevaluată. Driverele de poartă moderne pot îndeplini majoritatea cerințelor de sarcină a porții, astfel că proiectanții care urmăresc o optimizare și mai mare riscă să crească costurile în detrimentul îmbunătățirii altor parametri critici.

Proiectarea echilibrului de sarcină în MOSFET-urile cu super-joncțiune permite obținerea unor regiuni mai subțiri și mai puternic dopate. Eficiența lor în conversia de putere provine din capacitatea de a porni și a opri mai rapid MOSFET-ul, reducând pierderile la comutare. De asemenea, și problemele de gestionare termică sunt simplificate, deoarece eficiența îmbunătățită generează mai puțină căldură în timpul funcționării.

Când sau dacă să le folosim sau nu depinde, bineînțeles, de cerințele specifice ale aplicației. Acestea sunt populare în aplicațiile în care se dorește o eficiență de comutare de înaltă tensiune și un design compact, cum ar fi sursele de alimentare și convertoarele c.a./c.c., acționările motoarelor cu frecvență variabilă, invertoarele solare și altele.

Nu neglijați valorile Q_rr

Un alt factor care trebuie luat în considerare atunci când se selectează MOSFET-uri cu super-joncțiune pentru o aplicație este sarcina de recuperare inversă (Q_rr) – sarcina care se acumulează în joncțiunea PN pe măsură ce curentul trece prin dioda de corp a MOSFET-ului în timpul unui ciclu de comutare. Atunci când este ridicată, aceasta poate duce la vârfuri de tensiune și pierderi suplimentare, astfel că o sarcină de recuperare mai mică este importantă pentru îmbunătățirea eficienței și minimizarea pierderilor de comutare.

De asemenea, evenimentele tranzitorii cauzate de Q_rr ridicat pot genera interferențe electromagnetice (EMI), având un impact negativ asupra componentelor sensibile și a integrității semnalului.

Reducerea valorii Q_rr este benefică pentru îmbunătățirea performanțelor – în special în aplicațiile de înaltă frecvență, unde aceste efecte sunt amplificate – și pentru a asigura funcționarea optimă și respectarea parametrilor EMI. Din perspectiva proiectării produselor, o sarcină mai mică poate oferi următoarele avantaje:

• Pierderi de comutare reduse, deoarece disiparea de energie este redusă la minimum
• Eficiență sporită datorită unei mai bune utilizări a energiei
• Performanță termică îmbunătățită, cu generare redusă de căldură în timpul comutării
• EMI atenuate prin reducerea vârfurilor de tensiune și a efectului de oscilație
• Fiabilitate pe termen mai lung datorită solicitării reduse în timpul ciclurilor de comutare

În general, cu cât frecvența aplicației este mai mare, cu atât mai mare este prioritatea utilizării unei valori Q_rr mai mici. De asemenea, este important să se determine modul în care acest factor contribuie la generarea de căldură în cadrul aplicației, precum și cerințele de răcire ulterioare.

După ce au ales unul sau mai multe MOSFET-uri potențiale, proiectanții pot utiliza instrumente de simulare pentru a modela MOSFET-ul și felul în care Q_rr se va comporta în aplicație și cum îi va afecta performanța. Testele experimentale cu un osciloscop și o sondă de curent pot produce măsurători ale evenimentelor de comutare cu un anumit MOSFET.

Adaptarea acestor valori la cerințele unei aplicații depinde de găsirea unui echilibru adecvat între eficiență și alți parametri, cum ar fi performanța termică, transconductanța, tensiunea de prag și tensiunea directă a diodei.

Selectarea MOSFET-ului de putere potrivit

Nexperia oferă două familii de produse MOSFET de putere cu super-joncțiune, menite să ofere proiectanților de produse o varietate de opțiuni pentru a găsi combinația potrivită dintre performanța de comutare și diverse cerințe ale aplicațiilor.

MOSFET-urile NextPower 80 V și 100 V ale companiei sunt potrivite pentru proiectanții care pun accentul pe comutarea de înaltă eficiență și pe aplicații de înaltă fiabilitate, cum ar fi sursele de alimentare, designul industrial și telecomunicațiile. Dispozitivele oferă Q_rr de până la 50 nanocoulombi (nC), cu un curent de recuperare inversă mai mic (I_rr), vârfuri de tensiune mai mici (V_peak) și caracteristici cu oscilații reduse.

Fiind disponibile în capsule cu clemă de cupru LFPAK56, LFPAK56E și LFPAK88, dispozitivele oferă o flexibilitate de economisire a spațiului fără a compromite performanța termică sau fiabilitatea. Capsula LFPAK56/LFPAK56E are o amprentă de 5 mm pe 6 mm, sau 30 mm², ceea ce reprezintă o economie de spațiu de 81% în comparație cu D²PAK la 163 mm², și cu 57% în comparație cu DPAK at 70 mm² (Figura 1).

Figura 1: Comparație a capsulei LFPAK56 (dreapta) cu amprentele D²PAK (stânga) și DPAK. (Sursa imaginii: Nexperia)

LFPAK56E (Figura 2) este o versiune îmbunătățită a LFPAK56 care obține o rezistență mai mică, menținând în același timp aceeași amprentă compactă, ceea ce duce la o eficiență îmbunătățită. Un exemplu al acestei capsule îmbunătățite este PSMN3R9-100YSFX, un MOSFET cu canal N de 100 V, 4,3 mOhm, cu un curent continuu de 120 A. Calificat până la +175 °C, este recomandat pentru aplicații industriale și de consum, inclusiv ca redresor sincron în c.a./c.c. și c.c./c.c., ca și comutator primar pentru 48 V c.c./c.c., controlul motoarelor BLDC, adaptoare USB-PD, aplicații cu punte completă și semipunte, precum și topologii flyback și rezonante.

Figura 2: Capsula LFPAQK56E a dispozitivului PSMN3R9-100YSFX și a altor MOSFET-uri de putere NextPower de 80/100 V cu super-joncțiune. (Sursa imaginii: Nexperia)

NextPower PSMN2R0-100SSFJ, un MOSFET cu canal N de 100 V, 2,07 mOhm, 267 A, este disponibil într-o capsulă LFPAK88 care are o amprentă de 8 mm pe 8 mm. Este, de asemenea, calificat până la +175 °C și este recomandat pentru aplicații industriale și de consum, cum ar fi ca redresor sincron în c.a./c.c. și c.c./c.c., ca și comutator primar, pentru controlul motorului BLDC, aplicații cu punte completă și semipunte și pentru protecția bateriei.

Pentru proiectanții care doresc să prioritizeze performanțele ridicate și fiabilitatea, MOSFET-urile NextPowerS3 sunt disponibile în versiuni de 25 V, 30 V și 40 V, cu o diodă de corp Schottky-Plus care oferă un R_DS(ON) scăzut și o capacitate demonstrată de curent continuu de până la 380 A. PSMN5R4-25YLDX, de exemplu, este un MOSFET de nivel logic NextPowerS3 cu canal N de 25 V, 5,69 mΩ, în capsulă standard LFPAK56.

Tehnologia „Schottky-Plus” de la Nexperia oferă o eficiență ridicată și o performanță cu vârfuri de tensiune reduse, asociate de obicei cu MOSFET-urile cu o diodă integrată Schottky sau similară cu Schottky, dar fără un curent de scurgere ridicat și problematic, oferind o scurgere de <1 μA la +25 °C.

Dispozitivele NextPowerS3 sunt recomandate pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv pentru soluții c.c. – c.c. integrate pentru servere și telecomunicații, module de reglare a tensiunii (VRM), module la punctul de sarcină (POL), furnizarea de energie pentru componente V-core, ASIC, DDR, GPU, VGA și de sistem, precum și pentru controlul motoarelor cu perii/fără perii.

De asemenea, dispozitivele NextPowerS3 sunt disponibile într-o amprentă LFPAK33 de 3,3 mm x 3,3 mm (Figura 3), inclusiv PSMN1R8-30MLHX de 30 V, potrivit pentru aplicații precum regulator coborâtor sincron, redresor sincron în aplicații c.a./c.c. și c.c./c.c., controlul motoarelor BLDC (fără perii), împreună cu protecție cu siguranțe electrice și pentru baterie.

Figura 3: O ilustrație care compară capsularea NextPowerS3 LKPAK33 (dreapta) cu capsularea DPAK. (Sursa imaginii: Nexperia)

Concluzie

MOSFET-urile de putere cu super-joncțiune pe bază de siliciu sunt indispensabile pentru a obține echilibrul între performanță, eficiență și rentabilitate, necesar pentru multe aplicații electronice noi de alimentare. Portofoliul de MOSFET-uri NextPowerS3 și NextPower de 80/100 V de la Nexperia oferă proiectanților de produse o varietate de caracteristici pentru a îndeplini aceste cerințe și sunt disponibile în capsule LFPAK compacte și îmbunătățite termic, pentru o densitate de putere și fiabilitate îmbunătățite.