Maximizarea densității de putere și a performanței în aplicațiile de convertoare de comutare cu tranzistoare MOSFET duble

Convertoarele de comutare industriale și auto, precum și driverele de motoare necesită tranzistoare cu efect de câmp cu siliciu și oxid de metal (MOSFET) care să fie mici, eficiente și să genereze un zgomot electric minim. Utilizarea unei abordări cu tranzistoare MOSFET duble ajută la îndeplinirea acestor cerințe.

Prin plasarea a două MOSFET-uri într-o singură capsulă, tranzistoarele MOSFET duble bine proiectate consumă mai puțin spațiu pe placa de circuite imprimate (PCB), reduc inductanța parazită și elimină necesitatea unor radiatoare voluminoase și costisitoare, îmbunătățind performanța termică. Dispozitivele de acest tip pot realiza comutarea fără interferențe la câteva sute de kilohertzi (kHz), funcționează stabil pe o gamă extinsă de temperaturi și prezintă un curent de scurgere redus. Totuși, designerii trebuie să înțeleagă caracteristicile de funcționare ale acestora pentru a realiza pe deplin avantajele acestor componente.

Acest articol prezintă exemple de tranzistoare MOSFET duble de la Nexperia și arată cum le pot utiliza proiectanții pentru a răspunde provocărilor asociate proiectelor robuste, cu eficiență înaltă și cu restricții de spațiu. Se discută modalități de optimizare a proiectării circuitelor și a PCB-urilor și se oferă sfaturi privind simularea electrotermică și analiza pierderilor.

Eficiență mai mare la viteză mare de comutare

Tranzistoarele MOSFET duble sunt potrivite pentru diverse aplicații în domeniul auto (conform standardului AEC-Q101) și industrial, cum ar fi convertoarele de comutare de la curent continuu la curent continuu, invertoarele de motor și controlerele pentru supape solenoide. Aceste aplicații pot utiliza tranzistoare MOSFET duble în perechi de comutatoare și topologii de tip „jumătate de punte”, printre alte configurații.

Seria LFPAK56D Nexperia este un exemplu notabil de dispozitive MOSFET duble. Acestea dispun de tehnologia Nexperia cu clemă de cupru, care permite o capacitate de curent excepțională, o impedanță redusă a capsulei și o fiabilitate ridicată (Figura 1, dreapta). Aceste cleme de cupru masiv îmbunătățesc disiparea căldurii de la substratul semiconductor prin îmbinările sudate la PCB, facilitând trecerea a aproximativ 30% din căldura totală eliminată prin pinii sursei de alimentare. Secțiunile transversale mari din cupru reduc, de asemenea, disiparea puterii ohmice și amortizează oscilațiile prin diminuarea inductanței parazite a liniei.

Figura 1: În capsula LFPAK56D (dreapta) sunt integrate două MOSFET-uri independente, fiind utilizate structuri cu cleme de cupru similare cu cele ale capsulei LFPAK56 cu un singur MOSFET (stânga). (Sursa imaginii: Nexperia)

La fel ca majoritatea componentelor destinate convertoarelor de comutare de înaltă tensiune, LFPAK56D utilizează tehnologia cu super-joncțiune. Acest design reduce rezistența „on” drenă-sursă (R_DS(on)) și parametrii de încărcare poartă-drenă (Q_GD), minimizând pierderile de putere. Operarea a două MOSFET-uri pe același substrat reduce și mai mult rezistența drenă-sursă.

Ca MOSFET-uri cu super-joncțiune, seria LFPAK56D se remarcă prin rezistența sa la evenimentele de avalanșă și prin faptul că dispune de o zonă de operare sigură (SOA) extinsă. De exemplu, fiecare dintre MOSFET-urile de 100 de volți din dispozitivul PSMN029-100HLX TrenchMOS are o rezistență de 29 de miliohmi (mΩ) R_DS(on), poate accepta 68 de wați și poate permite trecerea a până la 30 de amperi (A).

Seria LFPAK56D utilizează, de asemenea, tehnologia SchottkyPlus de la NXP pentru a reduce comportamentul de vârf și curentul de scurgere. De exemplu, R_DS(on) tipic pentru PSMN014-40HLDX este de obicei de 11,4 mΩ, iar curentul de scurgere drenă-sursă este extrem de scăzut, de 10 nanoamperi (nA).

Pentru a utiliza pe deplin curenții mari ai MOSFET-urilor, PCB-ul trebuie să fie proiectat pentru a disipa căldura ridicată și pentru a asigura conexiuni electrice stabile. PCB-urile multistrat, prevăzute cu suficiente găuri de trecere și piste mari și groase de conductoare de cupru asigură o performanță termică ridicată.

Evitarea avalanșelor termice

În timp ce MOSFET-urile de putere complet pornite sunt stabile din punct de vedere termic, există un risc de avalanșă termică atunci când curentul de scurgere (I_D) este scăzut.În această stare de funcționare, încălzirea localizată tinde să scadă tensiunea de prag poartă-sursă (V_GS(th)), ceea ce înseamnă că dispozitivul se activează mai ușor. Acest lucru creează o situație de feedback pozitiv în care curentul suplimentar provoacă o încălzire mai mare și o V_GS(th) și mai mică.

Figura 2 prezintă acest efect pentru o tensiune constantă drenă-sursă (V_DS). Pe măsură ce V_GS crește, există un I_D critic cunoscut sub numele de coeficientul de temperatură zero (ZTC). Peste acest curent, există un feedback negativ și stabilitate termică (zona albastră); sub acest curent, domină căderea de tensiune de prag, ceea ce duce la puncte de funcționare instabile din punct de vedere termic ce pot duce la o avalanșă termică (zona roșie).

Figura 2: Sub punctul ZTC, MOSFET-ul poate intra în avalanșă termică din cauza unei scăderi V_GS induse termic (zona roșie). (Sursa imaginii: Nexperia)

Acest efect reduce SOA la curenți mici și la tensiuni drenă-sursă ridicate. Aceasta nu este o problemă semnificativă pentru operațiunile de comutare rapidă cu o pantă dV/dt abruptă. Cu toate acestea, pe măsură ce durata de comutare crește, de exemplu, pentru a reduce interferențele electromagnetice, instabilitatea termică devine mai probabilă și potențial periculoasă.

Pierderi de comutare mai mici la frecvențe înalte

Atunci când se selectează un MOSFET cu super-joncțiune pentru aplicații cu comutare rapidă, este esențial un Q_GD scăzut, deoarece acesta reduce semnificativ pierderile de comutare.

Pierderile mari de putere apar în timpul comutării atunci când apar simultan modificări semnificative de tensiune și curent între drenă, poartă și sursă. Un Q_GD scăzut are ca rezultat un platou Miller scurt (Figura 3, stânga), ceea ce duce la o pantă de comutare abruptă (dV_ds/dt) și, în cele din urmă, la o pierdere de energie dinamică mai mică în timpul pornirii (Figura 3, zona albastră din dreapta).

Figura 3: Un platou Miller scurt (stânga) înseamnă o pantă de comutare abruptă, ceea ce duce la pierderi dinamice reduse (zona albastră din dreapta). V_gp este tensiunea poartă-sursă a platoului Miller; V_TH este tensiunea de prag a porții; I_DS este curentul drenă-sursă. (Sursa imaginii: Vishay)

Limitarea energiei de avalanșă și protejarea MOSFET-ului

În momentul deconectării unei bobine a statorului într-o aplicație de acționare a motorului, câmpul magnetic în colaps menține fluxul de curent, generând o tensiune de inducție ridicată pe MOSFET care se suprapune peste tensiunea de alimentare (V_DD). Cu toate acestea, tensiunea de străpungere inversă (V_BR) a diodei corp MOSFET limitează această tensiune ridicată. În cadrul fenomenului cunoscut sub numele de efect de avalanșă, MOSFET-ul transformă energia magnetică de ieșire în energie de avalanșă (E_DS) până când curentul bobinei scade la zero. Acest lucru poate supraîncălzi rapid cristalul semiconductor.

Figura 4 prezintă o comandă simplă a unei bobine cu un comutator MOSFET și semnalele temporale înainte, în timpul (fereastra de timp t_AL) și după un singur eveniment de avalanșă. În cazul în care cantitatea de energie disipată de avalanșă (E_DS(AL)S) este prea mare, căldura rezultată va deteriora structura semiconductorului.

Figura 4: Diagrama semnalelor de sincronizare ale unui MOSFET înainte, în timpul (t_AL) și după un singur eveniment de avalanșă. (Sursa imaginii: Nexperia)

MOSFET-urile LFPAK56D sunt proiectate pentru a fi foarte robuste și pot rezista la mai multe miliarde de avalanșe fără a suferi deteriorări, conform rezultatelor testelor de laborator realizate de Nexperia. Având în vedere energia maximă de avalanșă, etapele de comandă ale bobinelor pot să nu mai necesite diode suplimentare de rotație liberă sau de fixare și să utilizeze doar funcționarea în avalanșă a acestor MOSFET-uri.

Simulare electrotermică online

Pentru a îmbunătăți eficiența sistemului, nu este suficient să ne bazăm pe o simplă cifră de merit (FOM), cum ar fi produsul R_DS x Q_GD. În schimb, proiectanții trebuie să efectueze o analiză mai precisă a pierderilor, care să țină cont de pierderile MOSFET care rezultă din:

• Conductivitatea la pornire
• Pierderile la conectare și deconectare
• Încărcarea și descărcarea capacității de ieșire
• Pierderile de continuitate și comutare ale diodei corpului
• Încărcarea și descărcarea capacității porții

Pentru a minimiza pierderile globale, proiectanții trebuie să înțeleagă relația dintre parametrii MOSFET și mediul de operare. În acest scop, Nexperia oferă modele electrotermice de precizie pentru MOSFET-uri care combină performanța electrică și termică și reprezintă toate comportamentele importante ale MOSFET-urilor. Dezvoltatorii pot utiliza simulatorul online PartQuest Explore sau pot importa modelele în format SPICE și VHDL-AMS în platforma de simulare aleasă.

La momentul redactării acestui articol, sunt disponibile doar modelele electrice pentru MOSFET-urile LFPAK56D. Prin urmare, următorul exemplu de simulare termică se referă la un alt tip de MOSFET, BUK7S1R0-40H.

Experimentul interactiv IAN50012 Modele electrotermice pentru MOSFET-urile de putere simulează trei scenarii de încălzire pentru MOSFET-ul BUK7S1R0-40H după ce este pornit un curent de sarcină de 36,25 A. Figura 5 prezintă cele trei configurații de simulare din stânga.

Figura 5: Este prezentată o simulare electrotermică a unui MOSFET cu ajutorul simulatorului online PartQuest Explore. (Sursa imaginii: Nexperia)

În cazul din partea superioară, „t_j_no_no_self_heating”, joncțiunea și baza de montaj sunt direct cuplate la temperatura ambiantă (T_amb) de 0°C, fără a exista o rezistență termică (R_th). În cazul intermediar, „t_j_self_heating”, cipul este cuplat prin R_th-j, iar T_j crește cu aproximativ 0,4°C. Cazul din partea inferioară prezintă o bază de montare (mb) cuplată la temperatura ambiantă prin intermediul R_{th_mb} a unei plăci FR4 cu șase straturi cu un radiator. T_mb (verde) crește la 3,9°C, iar T_j (roșu) crește la 4,3°C.

Concluzie

MOSFET-urile LFPAK56D cu pierderi foarte mici oferă o eficiență și o densitate de putere excelente în convertoarele cu comutare rapidă sau în driverele de motoare. Considerentele de proiectare a circuitelor și a circuitelor termice PCB și simularea electrotermică discutate aici ilustrează modul în care proiectanții pot depăși provocările unor proiecte robuste, foarte eficiente și cu restricții de spațiu.