Utvärdering av effekt-MOSFET:ar med superjunction-teknologi för prestanda och verkningsgrad

Effekt-MOSFET:ar med superjunction-teknologi har varit dominerande i tillämpningar för högspänning så länge att det är frestande att tro att det måste finnas bättre alternativ. Deras förmåga att fortsätta leverera en balans mellan prestanda, verkningsgrad och kostnadseffektivitet gör dem emellertid oumbärliga när det gäller att optimera elektronikkonstruktioner för många nya tillämpningar.

Kiselbaserade MOSFET:ar med superjunction-teknologi har varit tillgängliga kommersiellt sedan sekelskiftet och skapades genom att stapla lager av halvledarmaterial av p- och n-typ om vartannat för att skapa PN-övergångar som resulterade i minskad tillslagsresistans (R_DS(ON)) och minskad gate-laddning (Q_g) jämfört med traditionella plana MOSFET:ar. Fördelarna har kvantifierats i ett godhetstal, FOM, där FOM = R_DS(ON ) x Q_g.

Godhetstalet kvantifierar hur mycket resistans MOSFET:en har när den är på och hur mycket laddning som krävs för att slå på och av den.

Q_g ger en praktisk jämförelse av switchningsgrad, men ibland kan det överbetonas. Konstruktörer som jagar efter ännu större optimering riskerar att driva upp sina kostnader på bekostnad av förbättring av andra kritiska parametrar då det finns moderna gate-drivkretsar för att uppfylla de flesta kraven på gate-laddning.

Konstruktionen för laddningsbalans i MOSFET:ar med superjunction-teknologi möjliggör tunnare och fler tungt dopade områden. Verkningsgraden vid effektomvandling beror på förmågan att slå på och av MOSFET:en snabbare, vilket minskar switchningsförlusterna. Värmehanteringen förenklas även eftersom den förbättrade verkningsgraden genererar mindre värme vid drift.

När eller om de ska användas beror naturligtvis på de specifika tillämpningskraven. De är populära i tillämpningar där verkningsgraden för switchning av högspänning och kompakt konstruktion efterfrågas, som t.ex. för strömförsörjningar och omvandlare för växel-/likström, frekvensomriktare för motorer, växelriktare för solceller m.m.

Förbise inte värdet för Q_rr

En annan faktor att ta hänsyn till är den omvända återhämtningsladdningen (Q_rr) när man väljer MOSFET:ar med superjunction-teknologi för en tillämpning – den laddning som byggs upp i PN-övergången när strömmen flyter genom MOSFET:ens kretsdiod under en switchningscykel. När den är hög kan det leda till transienter och ytterligare förluster, så en låg återhämtningsladdning är viktigt för att förbättra verkningsgraden och minimera switchningsförlusterna.

Transienta händelser på grund av hög Q_rr kan även generera elektromagnetiska störningar (EMI), vilket påverkar känsliga komponenter och signalintegriteten på ett negativt sätt.

Att minska Q_rr är fördelaktigt för att förbättra prestandan, särskilt i tillämpningar med höga frekvenser där dessa effekter förstärks, och för att säkerställa optimal drift och överensstämmelse med parametrar för elektromagnetiska störningar. Ur perspektivet produktkonstruktion kan en lägre laddning ge följande fördelar:

• Minskade switchningsförluster eftersom energiförbrukningen minimeras
• Ökad verkningsgrad tack vare bättre energianvändning
• Förbättrad termisk prestanda, med minskad värmeutveckling vid switchning
• Färre elektromagnetiska störningar genom reducerade transienter och ringningar
• Långsiktig tillförlitlighet tack vare mindre påfrestningar under switchningscykler

Generellt gäller att ju högre frekvens tillämpningen har, desto viktigare är det att använda ett lägre Q_rr. Det är också viktigt att fastställa hur denna faktor bidrar till värmeutvecklingen i tillämpningen och de kylningsbehov som följer av detta.

När konstruktörer har bestämt sig för en eller flera potentiella MOSFET:ar kan de använda simuleringsverktyg för att modellera MOSFET:en och se hur Q_rr kommer att bete sig i tillämpningen och dess påverkan på prestandan. Experimentell testning med ett oscilloskop och en strömsond kan tillhandahålla mätningar av switchningshändelser för en angiven MOSFET.

För att anpassa dessa värden mot tillämpningens behov måste man hitta en lämplig balans mellan verkningsgrad och andra parametrar som t.ex. termisk prestanda, transkonduktans, gränsvärdesspänning och diodspänning.

Välja rätt effekt-MOSFET

Nexperia har två produktserier av effekt-MOSFET:ar med superjunction-teknologi som ger produktutvecklare en mängd olika alternativ för att hitta rätt kombination av switchningsprestanda för olika tillämpningskrav.

Företagets MOSFET:ar NextPower på 80 och 100 V är lämpliga för konstruktörer som fokuserar på högeffektiv switchning och tillämpningar med hög tillförlitlighet, som t.ex. strömförsörjning, industriutformning och telekommunikation. Enheterna har en Q_rr ned till 50 nC (nanocoulomb), med lägre omvänd återställningsström (I_rr), lägre spänningstoppar (V_peak) och minskade ringningsegenskaper.

Enheterna finns med kapslingarna LFPAK56, LFPAK56E och LFPAK88 med kopparledare och har utrymmesbesparande flexibilitet utan att kompromissa med termisk prestanda eller tillförlitlighet. Kapslingarna LFPAK56/LFPAK56E har en storlek på 5 x 6 mm, eller 30 mm², vilket innebär en utrymmesbesparing på 81 % jämfört med D²PAK på 163 mm² respektive 57 % jämfört med DPAK på 70 mm² (figur 1).

Figur 1: Jämförelse av kapslingen LFPAK56 (höger) i storlekarna D²PAK (vänster) och DPAK. (Bildkälla: Nexperia)

LFPAK56E (figur 2) är en förbättrad version av LFPAK56 som har lägre resistans samtidigt som den har samma kompakta format, vilket leder till en förbättrad verkningsgrad. Ett exempel i den här förbättrade kapslingen är PSMN3R9-100YSFX, en 100 V, 4,3 mOhm, MOSFET med N-kanal och en kontinuerlig märkström på 120 A. Den klarar +175 °C och rekommenderas för industri- och konsumenttillämpningar, inklusive synkrona likriktare för AC/DC och DC/DC, switchning på primärsidan med 48 V DC/DC, motorstyrning för borstlösa motorer, adaptrar för USB-PD, tillämpningar med hel- och halvbrygga samt flyback- och resonanstopologier.

Figur 2: Kapslingen LFPAQK56E för PSMN3R9-100YSFX och andra NextPower effekt-MOSFET:ar med superjunction-teknologi för 80/100 V. (Bildkälla: Nexperia)

NextPower PSMN2R0-100SSFJ, en MOSFET med N-kanal för 100 V med 2,07 mOhm och 267 A levereras i kapslingen LFPAK88 som har måtten 8 x 8 mm. Även denna klarar +175 °C och rekommenderas för industri- och konsumenttillämpningar som t.ex. synkrona likriktare i AC/DC och DC/DC, switchning på primärsidan, motorstyrning för borstlösa motorer, tillämpningar med hel- och halvbrygga samt för skydd av batterier.

För konstruktörer som vill prioritera hög prestanda och tillförlitlighet finns MOSFET:arna NextPowerS3 i versioner med 25 V, 30 V och 40 V med en Schottky Plus-kretsdiod som har låg R_DS(ON) och uppvisar en kontinuerlig strömkapacitet på upp till 380 A. PSMN5R4-25YLDX är till exempel en NextPowerS3 MOSFET med N-kanal på 25 V, 5,69 mΩ för logiknivåer, i standardkapslingen LFPAK56.

Nexperias "Schottky Plus"-teknologi har den höga effektivitet och låga transientprestanda som vanligtvis förknippas med MOSFET:ar med en integrerad Schottky- eller Schottky-liknande diod, men utan problematiskt hög läckström, <1 μA läckström vid +25 °C.

Enheterna NextPowerS3 rekommenderas för en mängd olika tillämpningar, inklusive inbyggda lösningar för DC till DC för server- och telekommunikation, spänningsregulatormoduler (VRM), POL-moduler (Point-of-Load), strömförsörjning för V-core, ASIC, DDR, GPU, VGA och systemkomponenter samt styrning av motorer med eller utan borstar.

Enheterna NextPowerS3 finns även i kapslingen LFPAK33 med måtten 3,3 x 3,3 mm (figur 3), inklusive PSMN1R8-30MLHX för 30 V, som är lämplig för tillämpningar som t.ex. synkrona buckregulatorer, synkrona likriktare i tillämpningar för AC/DC och DC/DC, motorstyrning av borstlösa motorer samt eFuse och för skydd av batterier.

Figur 3: En illustration som jämför kapslingen NextPowerS3 LKPAK33 (höger) med kapslingen DPAK. (Bildkälla: Nexperia)

Sammanfattning

Kiselbaserade effekt-MOSFET:ar med superjunction-teknologi är oumbärliga för att uppnå den balans mellan prestanda, verkningsgrad och kostnadseffektivitet som krävs för många nya kraftelektroniktillämpningar. Nexperias produktserie med MOSFET:arna NextPowerS3 och NextPower 80/100 V förser produktutvecklare med en mängd olika egenskaper för att uppfylla kraven, och finns i små och termiskt förbättrade LFPAK-kapslingar för förbättrad effekttäthet och tillförlitlighet.