Hodnocení výkonu a účinnosti výkonových tranzistorů MOSFET s technologií Super Junction

Výkonové tranzistory MOSFET s technologií Super Junction (superpřechodu) dominují vysokonapěťovým spínacím aplikacím již tak dlouho, že je lákavé si myslet, že musí existovat lepší alternativy. Díky jejich schopnosti nadále poskytovat rovnováhu mezi výkonem, účinností a cenovou efektivitou jsou však při optimalizaci návrhů elektronického napájení pro mnoho nových aplikací nepostradatelné.

Tranzistory MOSFET na bázi křemíku s technologií Super Junction, které jsou komerčně dostupné od přelomu století, byly vytvořeny střídavým vrstvením vrstev polovodičového materiálu typu p a typu n za účelem vytvoření přechodů PN, které ve srovnání s tradičními planárními tranzistory MOSFET vedly ke snížení odporu v sepnutém stavu (R_DS(ON)) a náboje hradla (Q_G). Tyto přínosy byly vyčísleny ve výpočtu faktoru výhodnosti („Figure of Merit“, FOM), kde FOM = R_DS(ON) × Q_G.

FOM kvantifikuje, jaký odpor má tranzistor MOSFET při zapnutí a kolik náboje je potřeba k zapnutí a vypnutí.

Hodnota Q_G poskytuje praktické srovnání spínacího výkonu, ale někdy to může být přehnané. K dispozici jsou moderní hradlové budiče, které splňují většinu požadavků na náboj hradel, takže konstruktéři, kteří se honí za ještě větší optimalizací, riskují zvýšení nákladů na úkor zlepšení jiných kritických parametrů.

Konstrukce rovnováhy náboje v tranzistorech MOSFET s technologií Super Junction umožňuje vytvářet tenčí a silněji dopované oblasti. Jejich účinnost při přeměně energie pramení ze schopnosti zapínat a vypínat MOSFET rychleji, čímž se snižují spínací ztráty. Zjednodušují se také problémy s regulací tepla, protože lepší účinnost generuje během provozu méně tepla.

Kdy nebo zda je použít, to závisí samozřejmě na konkrétních požadavcích aplikace. Tyto tranzistory jsou oblíbené v aplikacích, kde je požadována účinnost vysokonapěťového spínání a kompaktní provedení, jako jsou AC/DC napájecí zdroje a měniče, motorové pohony s proměnnou frekvencí, solární měniče a další.

Nepřehlédněte hodnoty Q_rr

Dalším faktorem, který je třeba vzít při výběru tranzistorů MOSFET s technologií Super Junction pro danou aplikaci v úvahu, je náboj zpětného zotavení (Q_rr) – náboj, který vzniká při průchodu proudu tělesem diody tranzistoru MOSFET během spínacího cyklu. Když je tento náboj vysoký, může to vést k napěťovým špičkám a dalším ztrátám, takže pro zlepšení účinnosti a minimalizaci spínacích ztrát je důležitý nižší obnovovací náboj.

Přechodné události mohou kvůli vysokému Q_rr generovat také elektromagnetické rušení („electromagnetic interference“, EMI), což má negativní dopad na citlivé součástky a integritu signálu.

Snížení náboje Q_rr je pro zvýšení výkonu výhodné, zejména ve vysokofrekvenčních aplikacích, kde se tyto efekty zesilují, a pro zajištění optimálního provozu a shody s parametry EMI. Z hlediska konstrukce produktu může nižší náboj přinášet následující výhody:

• Nižší spínací ztráty, protože se minimalizuje rozptyl energie
• Vyšší účinnost díky lepšímu využití energie
• Vylepšený tepelný výkon díky nižší produkci tepla během spínání
• Zmírnění EMI díky snížení napěťových špiček a kmitání
• Dlouhodobější spolehlivost díky menšímu namáhání během spínacích cyklů

Obecně platí, že čím vyšší je frekvence aplikace, tím větší má prioritu použití nižšího náboje Q_rr. Je také důležité určit, jak tento faktor přispívá k tvorbě tepla v aplikaci a k následným požadavkům na chlazení.

Poté, co se konstruktéři rozhodnou pro jeden nebo více potenciálních tranzistorů MOSFET, mohou použít simulační nástroje k modelování tranzistoru MOSFET a toho, jak se bude Q_rr chovat v aplikaci a jak ovlivní její výkon. Experimentální testování s osciloskopem a proudovou sondou může přinést měření spínacích událostí s konkrétním tranzistorem MOSFET.

Přizpůsobení těchto hodnot potřebám aplikace závisí na nalezení vhodné rovnováhy s účinností a dalšími parametry, jako je tepelný výkon, transvodivost, prahové napětí a napětí v propustném směru diody.

Výběr správného výkonového tranzistoru MOSFET

Společnost Nexperia nabízí dvě produktové řady tranzistorů MOSFET s technologií Super Junction, jejichž cílem je poskytnout konstruktérům produktů řadu možností pro přizpůsobení správné kombinace spínacího výkonu různým požadavkům aplikace.

Tranzistory MOSFET NextPower 80 V a 100 V této společnosti jsou vhodné pro konstruktéry zaměřené na vysoce účinné spínání a vysoce spolehlivé aplikace, jako jsou napájecí zdroje, průmyslový design a telekomunikace. Zařízení poskytují náboj Q_rr až 50 nC, mají nižší proud při zpětném zotavení (I_rr), nižší napěťové špičky (V_peak) a omezené vlastnosti kmitání.

Zařízení, která jsou k dispozici v pouzdrech LFPAK56, LFPAK56E a LFPAK88 s měděnou sponou, poskytují prostorově úspornou flexibilitu, aniž by docházelo ke snížení tepelného výkonu nebo spolehlivosti. Pouzdra LFPAK56/LFPAK56E mají půdorys 5 mm × 6 mm, tedy 30 mm², což představuje 81% úsporu místa ve srovnání s pouzdrem D²PAK o velikosti 163 mm² a 57% úsporu ve srovnání s pouzdrem DPAK o velikosti 70 mm² (obrázek 1).

Obrázek 1: Porovnání půdorysu pouzdra LFPAK56 (vpravo) s půdorysy pouzder D²PAK (vlevo) a DPAK. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Pouzdro LFPAK56E (obrázek 2) je vylepšenou verzí pouzdra LFPAK56, která dosahuje nižšího odporu při zachování stejně kompaktního půdorysu, což vede ke zlepšení účinnosti. Příkladem v tomto vylepšeném pouzdru je N-kanálový tranzistor MOSFET PSMN3R9-100YSFX, 100 V, 4,3 mΩ s trvalým jmenovitým proudem 120 A. Je kvalifikován pro teplotu do +175 °C a doporučen pro průmyslové a spotřebitelské aplikace, včetně synchronního usměrňovače v AC/DC a DC/DC, spínače na primární straně pro 48 V DC/DC, řízení motoru BLDC, adaptérů USB-PD, aplikací s plným a polovičním můstkem, stejně jako topologií typu flyback a rezonančních topologií.

Obrázek 2: Pouzdro LFPAQK56E modelu PSMN3R9-100YSFX a dalších výkonových tranzistorů MOSFET NextPower 80/100 V s technologií Super Junction. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

N-kanálový tranzistor MOSFET NextPower PSMN2R0-100SSFJ, 100 V, 2,07 mΩ, 267 A se dodává v pouzdře LFPAK88, které má rozměry 8 mm × 8 mm. Je také kvalifikován do +175 °C a doporučen pro průmyslové a spotřebitelské aplikace, jako je synchronní usměrňovač v AC/DC a DC/DC, spínač na primární straně, řízení motoru BLDC, aplikace s plným a polovičním můstkem a ochrana baterie.

Pro konstruktéry, kteří chtějí upřednostnit vysoký výkon a spolehlivost, jsou tranzistory MOSFET NextPowerS3 k dispozici ve verzích 25 V, 30 V a 40 V s diodou tělesa Schottky-Plus, která poskytuje nízký odpor R_DS(ON) a prokazatelnou schopnost trvalého proudu až 380 A. Například model PSMN5R4-25YLDX je N-kanálový tranzistor MOSFET NextPowerS3 25 V, 5,69 mΩ s logickou úrovní ve standardním pouzdru LFPAK56.

Technologie „Schottky-Plus“ společnosti Nexperia poskytuje vysokou účinnost, nízký špičkový výkon obvykle spojovaný s tranzistory MOSFET s integrovanou Schottkyho diodou nebo diodou podobnou Schottkyho diodě, ale bez problematického vysokého unikajícího proudu, který při teplotě +25 °C poskytuje únik <1 μA.

Zařízení NextPowerS3 se doporučují pro celou řadu aplikací, včetně palubních řešení DC na DC pro servery a telekomunikace, moduly regulátorů napětí („voltage regulator module“, VRM), moduly míst zátěže („point-of-load“, POL), dodávky energie pro V-jádro, ASIC, DDR, GPU, VGA a systémové součástky a řízení kartáčových/bezkartáčových motorů.

Zařízení NextPowerS3 jsou také k dispozici v půdorysu pouzdra LFPAK33 3,3 mm × 3,3 mm (obrázek 3), včetně 30V modelu PSMN1R8-30MLHX vhodného pro aplikace, jako je synchronní buck regulátor, synchronní usměrňovač v aplikacích AC/DC a DC/DC, BLDC (bezkartáčové) řízení motoru spolu s ochranou baterie eFuse.

Obrázek 3: Ilustrace porovnávající pouzdro LKPAK33 zařízení NextPowerS3 (vpravo) s pouzdrem DPAK. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Závěr

Výkonové tranzistory MOSFET založené na křemíku jsou nepostradatelné pro dosažení rovnováhy mezi výkonem, účinností a cenovou efektivitou – vlastnostmi potřebnými pro mnoho nových aplikací výkonové elektroniky. Portfolio tranzistorů MOSFET NextPowerS3 a NextPower 80/100 V společnosti Nexperia nabízí konstruktérům produktů řadu charakteristik, které tyto požadavky splňují. Pro lepší hustotu výkonu a spolehlivost jsou tranzistory k dispozici v kompaktních a tepelně vylepšených pouzdrech LFPAK.