Evaluering af superjunction effekt-MOSFET'er for ydeevne og effektivitet

Superjunction effekt-MOSFET'er har domineret applikationer med højspændingsswitching i så lang tid, at det er fristende at tænke, at der må være bedre alternativer. Men deres evne til fortsat at levere en balance mellem ydeevne, effektivitet og omkostningseffektivitet gør dem uundværlige i optimeringen af effektelektronikdesigns til mange nye anvendelser.

Siliciumbaserede superjunction MOSFET'er har været kommercielt tilgængelige siden århundredeskiftet og blev skabt ved at stable skiftevis p-type- og n-type lag af halvledermateriale for at skabe PN-junction'er, der resulterede i reduceret modstand i on-tilstand (reduced on-state resistance/R_DS(ON)) og gateladning (Q_g) sammenlignet med traditionelle, planare MOSFET'er. Disse fordele er blevet kvantificeret i en beregning af effektfaktor (Figure of Merit/FOM), hvor FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM kvantificerer, hvor meget modstand MOSFET'en har, når den er tændt, og hvor meget opladning der kræves for at tænde og slukke.

Q_g giver en praktisk sammenligning af switchingydeevne, men nogle gange kan det overbetones. Der findes moderne gatedrivere, som opfylder de fleste krav til gateladning, så designere, der jagter endnu større optimering, risikerer at øge deres omkostninger på bekostning af forbedring af andre kritiske parametre.

Ladningsbalancedesignet i superjunction MOSFET'er giver mulighed for tyndere og kraftigere doterede områder. Deres effektivitet i strømkonvertering stammer fra evnen til at tænde og slukke MOSFET'en hurtigere, hvilket reducerer omkoblingstab. Problemer med termisk styring er også forenklet, da den forbedrede effektivitet genererer mindre varme under drift.

Hvornår eller om man skal bruge dem, afhænger selvfølgelig af applikationens specifikke krav. De er populære i anvendelser, hvor der ønskes højspændingskoblingseffektivitet og kompakt design, såsom AC/DC-strømforsyninger og -omformere, motordrev med variabel frekvens, solcelleinvertere og andet.

Overse ikke Q_rr-værdier

En anden faktor, der skal overvejes ved valg af superjunction MOSFET'er til en applikation, er omvendt gendannelsesladning (reverse recovery charge) (Q_rr) ladningen, der opbygges i PN-overgangen, når strømmen flyder gennem MOSFET'ens kropsdiode i løbet af en koblingscyklus. Når den er høj, kan det føre til spændingsspidser og yderligere tab, så en lavere gendannelsesladning er vigtig for at forbedre effektiviteten og minimere koblingstab.

Transiente hændelser på grund af høj Q_rr kan også generere elektromagnetisk interferens (EMI), hvilket har en negativ indvirkning på følsomme komponenter og signalintegritet.

Det er en fordel at reducere Q_rr for at forbedre ydeevnen, især i højfrekvens-applikationer, hvor disse effekter forstærkes, og for at sikre optimal drift og overholdelse af EMI-parametre. Ud fra et produktdesignperspektiv kan en lavere ladning give følgende fordele:

• reduceret koblingstab, da energispild minimeres
• forbedret effektivitet på grund af bedre energiudnyttelse
• forbedret termisk ydeevne med reduceret varmeudvikling under switching
• reduceret EMI gennem færre spændingsspidser og ringning
• Pålidelighed på længere sigt grundet mindre stress under switchingcyklusser

Generelt gælder det, at jo højere applikationens frekvens, desto større er prioriteten ved at bruge en lavere Q_rr. Det er også vigtigt at finde ud af, hvordan denne faktor bidrager til varmeudviklingen i applikationen og de deraf følgende kølebehov.

Når designerne har valgt en eller flere potentielle MOSFET'er, kan de bruge simuleringsværktøjer til at modellere MOSFET'en, og hvordan Q_rr vil opføre sig i applikationen og påvirke dens ydeevne. Eksperimentel afprøvning med et oscilloskop og en strømprobe kan give målinger af koblingshændelser med en bestemt MOSFET.

At matche disse værdier til en applikations behov afhænger af at finde den rette balance med effektivitet og andre parametre som termisk ydeevne, transkonduktans, tærskelspænding og diodeforspænding.

Valg af den rigtige effekt-MOSFET

Nexperia tilbyder to produktfamilier af superjunction effekt-MOSFET’er, der har til formål at give produktdesignere en række muligheder for at matche den rigtige kombination af koblingsydelse til applikationernes forskellige krav.

Virksomhedens NextPower 80 V og 100 V MOSFET'er er velegnede til designere, der fokuserer på højeffektiv kobling og anvendelser med høj pålidelighed som f.eks. strømforsyninger, industrielt design og telekommunikation. Enhederne leverer Q_rr ned til 50 nanocoulombs (nC), med lavere omvendt gendannelsesstrøm (reverse recovery current) (I_rr), lavere spændingsspidser (V_peak) og reducerede ringningsegenskaber.

Enhederne fås i LFPAK56-, LFPAK56E-, og LFPAK88 med kobberclipsemballage (copper-clip packaging) og giver pladsbesparende fleksibilitet uden at gå på kompromis med termisk ydeevne eller pålidelighed. LFPAK56/LFPAK56E-emballagen har et fodaftryk på 5 x 6 mm eller 30 mm², hvilket er en pladsbesparelse på 81 % sammenlignet med D²PAK på 163 mm² og 57 % sammenlignet med DPAK på 70 mm² (figur 1).

Figur 1: sammenligning af LFPAK56-pakken (til højre) med D²PAK (til venstre) og DPAK-fodaftryk. (Billedkilde: Nexperia)

LFPAK56E (figur 2) er en forbedret version af LFPAK56, der opnår lavere modstand, samtidig med at den bevarer det samme kompakte fodaftryk, hvilket fører til forbedret effektivitet. Et eksempel i denne forbedrede pakke er PSMN3R9-100YSFX, en 100 V-, 4,3 mOhm-, N-kanal-MOSFET med en kontinuerlig nominel strømstyrkeklassificering på 120 A. Den er kvalificeret til +175 °C og anbefales til industri- og forbrugeranvendelser, herunder en synkron ensretter i AC/DC og DC/DC, en afbryder på primærsiden til 48 V DC/DC, BLDC-motorstyring, USB-PD-adaptere, fuldbro- og halvbroapplikationer samt flyback- og resonanstopologier.

Figur 2: LFPAQK56E-pakken til PSMN3R9-100YSFX og andre NextPower 80/100 V superjunction effekt-MOSFET'er. (Billedkilde: Nexperia)

NextPower PSMN2R0-100SSFJ, en 100 V, 2,07 mOhm, 267 Ampere, N-kanal-MOSFET, kommer i en LFPAK88-pakke, som har et fodaftryk på 8 mm x 8 mm. Den er ligeledes kvalificeret til +175 °C og anbefales til industri- og forbrugerapplikationer som f.eks. en synkron ensretter i AC/DC og DC/DC, en afbryder på primærsiden, BLDC-motorstyring, fuld- og halvbroapplikationer og batteribeskyttelse.

For designere, der ønsker at prioritere høj ydeevne og pålidelighed, fås MOSFET'erne fra NextPowerS3 i 25 V-, 30 V- og 40 V-versioner med en Schottky-plus body-diode, der leverer lav R_DS(ON) og demonstreret, kontinuerlig strømkapacitet op til 380 A. PSMN5R4-25YLDX er for eksempel en NextPowerS3 N-kanal 25 V, 5,69 mΩ logikniveau-MOSFET i standard LFPAK56-emballage.

Nexperias "Schottky-Plus"-teknologi leverer den høje effektivitets- og lave spiking-ydeevne, der normalt forbindes med MOSFET'er med en integreret Schottky- eller Schottky-lignende diode, men uden problematisk, høj lækstrøm, idet den leverer <1 μA lækage ved +25 °C.

NextPowerS3-enhederne anbefales til en række anvendelser, herunder indbyggede DC-to-DC-løsninger til servere og telekommunikation, spændingsreguleringsmoduler (VRM), belastningspunkt- (point-of-load/POL)moduler, strømforsyning til V-kerne, ASIC, DDR, GPU, VGA og systemkomponenter samt styring af børstet-/børsteløs-motor.

NextPowerS3-enheder fås også i et 3,3 mm x 3,3 mm LFPAK33-fodaftryk (figur 3), herunder 30 V PSMN1R8-30MLHX, der er velegnet til anvendelser, som en synkron chopperregulator, en synkron ensretter i AC/DC- og DC/DC-applikationer, BLDC- (børsteløs) motorstyring samt eFuse- og batteribeskyttelse.

Figur 3: en illustration, der sammenligner NextPowerS3 LKPAK33-emballage (til højre) med DPAK-emballage. (Billedkilde: Nexperia)

Konklusion

Siliciumbaserede superjunction effekt-MOSFET'er er uundværlige for at opnå den balance mellem ydeevne, effektivitet og omkostningseffektivitet, der for mange nye effektelektroniske anvendelser er nødvendig. Nexperias portefølje af NextPowerS3 og NextPower 80/100 V MOSFET'er tilbyder produktdesignere en række karakteristika, der opfylder disse krav, og de fås i kompakte og termisk forbedrede LFPAK-pakker for at forbedre effekttætheden og pålideligheden.