Dobbelte MOSFET'er maksimerer effekttæthed og ydeevne i omskiftnings-konverteranvendelser.

Omformere og motordrivere til industri og biler kræver metaloxid-silicium-felteffekttransistorer (MOSFET'er), der er små, effektive og genererer minimal elektrisk støj. En dobbelt MOSFET-tilgang hjælper med at opfylde disse krav.

Ved at placere to MOSFET'er i en enkelt pakke bruger veldesignede dobbelte MOSFET'er mindre plads på printkortet (PCB), reducerer parasitisk induktans og eliminerer behovet for store og dyre køleplader ved at forbedre den termiske ydeevne. Sådanne enheder kan skifte uden interferens ved flere hundrede kilohertz (kHz), fungere stabilt over et bredt temperaturområde og udvise lav lækstrøm. Designere skal dog forstå deres driftsegenskaber for fuldt ud at kunne udnytte fordelene ved disse komponenter.

Denne artikel introducerer eksempler på dobbelte MOSFET'er fra Nexperia og viser, hvordan designere kan bruge dem til at imødekomme udfordringerne ved robuste, højeffektive og pladsbegrænsede design. Den diskuterer, hvordan man optimerer kredsløbs- og PCB-design, og giver tips til elektrotermisk simulering og tabsanalyse.

Større effektivitet ved høj koblingshastighed

Dobbelte MOSFET'er passer til mange applikationer i bilindustrien (AEC-Q101) og industrien, herunder DC/DC-omformere, motorinvertere og magnetventilstyringer. Disse applikationer kan bruge dobbelte MOSFET'er i switch-par og halvbro-topologier blandt andre konfigurationer.

Nexperia LFPAK56D -serien er et nævneværdigt eksempel på dobbelte MOSFET-enheder. De er udstyret med Nexperias kobberklips-teknologi, som giver exceptionel strømkapacitet, lav pakkeimpedans og høj pålidelighed (figur 1, højre). Disse solide kobberclips forbedrer varmeafledningen fra halvledersubstratet gennem lodningerne til printkortet, så ca. 30% af den samlede fjernede varme kan strømme gennem kildens ben. De store kobbertværsnit sænker også det ohmske effekttab og dæmper indsvingning ved at reducere den parasitære ledningsinduktans.

Figur 1: LFPAK56D-pakken (til højre) integrerer to uafhængige MOSFET'er og bruger kobberklipsstrukturer, svarende til LFPAK56-pakken med en enkelt MOSFET (til venstre). (Billedkilde: Nexperia)

Som de fleste dele beregnet til højspændingsomformere bruger LFPAK56D’en superjunction-teknologi. Dette design reducerer modstanden ved drain-source "tændt” (R_DS(on)) og gate-drain-ladningsparametrene (Q_GD), hvilket minimerer effekttabet. Ved at bruge to MOSFET'er på samme substrat reduceres drain-source-modstanden yderligere.

Som superjunction MOSFET'er er LFPAK56D-serien robust over for lavine-begivenheder og har et bredt sikkert driftsområde (safe operating area/SOA). For eksempel har hver af de 100 volt MOSFET'er i PSMN029-100HLX-trenchMOS-enheden en 29 milliohm (mΩ) R_DS(on) kan håndtere 68 watt og kan lede op til 30 ampere (A).

LFPAK56D-serien bruger også NXP's SchottkyPlus-teknologi til at reducere spiking-adfærd og lækstrøm. For eksempel er den typiske R_DS(on) for PSMN014-40HLDX’en typisk 11,4 mΩ, og drain-source-lækstrømmen er ekstremt lav, nemlig 10 nanoampere (nA).

For at udnytte MOSFET'ernes høje strømme fuldt ud skal printkortet være designet til at aflede høj varme og sikre stabile elektriske forbindelser. Flerlagsprintkort med tilstrækkelige vias og store, tykke kobberlederspor sikrer høj termisk ydeevne.

Undgå termisk instabilitet

Mens fuldt tændte effekt-MOSFET'er er termisk stabile, er termisk instabilitet en risiko, når drain-strømmen (I_D) er lav.I denne driftstilstand har lokal opvarmning en tendens til at sænke tærskelværdien for gate-source-spændingen (V_GS(th)), hvilket betyder, at enheden tænder hurtigere. Dette skaber en positiv feedback-situation, hvor den ekstra strøm forårsager mere opvarmning og en endnu lavere V_GS(th).

Figur 2 viser denne effekt for en konstant drain-source-spænding (V_DS). Når V_GS stiger, er der et kritisk I_D kendt som Null-temperaturkoefficient (Zero Temperature Coefficient/ZTC). Ved højere strøm er der negativ feedback og termisk stabilitet (blå zone); ved lavere strøm dominerer tærskelspændingsfaldet, hvilket resulterer i termisk ustabile driftspunkter, der kan føre til termisk-instabilitet (rød zone).

Figur 2: Under ZTC-punktet kan MOSFET'en komme i termisk instabilitet på grund af et termisk induceret fald i V_GS (rødt område). (Billedkilde: Nexperia)

Denne effekt reducerer SOA ved lave strømme og høje drain-source-spændinger. Det er ikke et stort problem ved hurtige koblingsoperationer med en stejl dV/dt-hældning. Men når omskiftningsvarigheden øges, f.eks. for at reducere elektromagnetisk interferens, bliver den termiske instabilitet mere sandsynlig og potentielt farlig.

Lavere koblingstab ved høje frekvenser

Når man vælger en superjunction-MOSFET til hurtige omskiftningsanvendelser, er en lav Q_GD afgørende, da det reducerer omskiftningstabene betydeligt.

Der opstår et stort effekttab under omskiftning, når der sker betydelige spændings- og strømændringer samtidig mellem drain, gate og source. En lav Q_GD resulterer i et kort Miller-plateau (figur 3, venstre), hvilket fører til en stejl omskiftningshældning (dV_ds/dt) og i sidste ende resulterer i et lavere dynamisk energitab under tænding (figur 3, blåt område til højre).

Figur 3: Et kort Miller-plateau (til venstre) betyder en stejl omskiftningshældning, hvilket resulterer i lave dynamiske tab (blåt område til højre). V_gp er gate-source-spændingen i Miller-plateauet; V_TH er gate-tærskelspændingen; I_DS er drain-source-strømmen. (Billedkilde: Vishay)

Begrænsning af lavineenergi og beskyttelse af MOSFET'en

I statorspolens slukningsøjeblik i en motordreven anvendelse opretholder det kollapsende magnetfelt strømflowet og genererer en høj induktionsspænding over MOSFET'en, som overlejrer forsyningsspændingen (V_DD). Men den omvendte nedbrydningsspænding (V_BR) i MOSFET-bodydioden begrænser denne høje spænding. I den såkaldte lavineeffekt omdanner MOSFET'en den udstrømmende, magnetiske energi til lavineenergi (E_DS), indtil spolestrømmen falder til nul. Det kan hurtigt overophede halvlederkrystallen.

Figur 4 viser en simpel spolestyring med en MOSFET-switch og tidssignalerne før, under (tidsvindue t_AL) og efter en enkelt lavinehændelse. Hvis mængden af lavineenergi, der afgives (E_DS(AL)S), er for høj, vil den resulterende varme beskadige halvlederstrukturen.

Figur 4: tidssignaler fra en MOSFET før, under (t_AL) og efter en enkelt lavinehændelse. (Billedkilde: Nexperia)

LFPAK56D-MOSFET'erne er designet til at være meget robuste og ifølge Nexperias laboratorietest kan modstå flere milliarder lavinehændelser uden at tage skade. I betragtning af den maksimale lavineenergi kan spoledrivertrin undvære ekstra frihjuls- eller begrænsningsdioder og kun bruge lavinedriften i disse MOSFET'er.

Elektrotermisk online-simulering

For at forbedre systemeffektiviteten er det ikke nok at forlade sig på et simpelt godhedstal (Figure of Merit/FOM), såsom R_DS x Q_GD-produktet. I stedet er designerne nødt til at udføre en mere præcis tabsanalyse, der tager højde for MOSFET-tab, der skyldes:

• Ledningsevne ved tænding
• Tab ved tænding og slukning
• Opladning og afladning af udgangskapacitansen
• Kontinuitets- og koblingstab for kropsdioden
• Opladning og afladning af gate-kapacitansen

For at minimere det samlede tab skal designerne forstå forholdet mellem MOSFET-parametrene og driftsmiljøet. Til dette formål tilbyder Nexperia elektrotermiske præcisionsmodeller til MOSFET'er, der kombinerer elektrisk og termisk ydeevne og repræsenterer alle vigtige MOSFET-egenskaber. Udviklere kan bruge online-simulatoren PartQuest Explore eller importere modellerne i SPICE- og VHDL-AMS-format til deres foretrukne simuleringsplatform.

I skrivende stund er det kun de elektriske modeller, der er tilgængelige for LFPAK56D-MOSFET’er. Derfor handler det følgende eksempel på termisk simulering om en anden MOSFET-type, BUK7S1R0-40H.

Det interaktive eksperiment IAN50012 Electrothermal models for Power MOSFET (elektrotermiske modeller for effekt-MOSFET) simulerer tre opvarmningsscenarier for BUK7S1R0-40H MOSFET’en, efter at der er blevet tændt for en belastningsstrøm på 36,25 A. Figur 5 viser de tre simuleringsopsætninger til venstre.

Figur 5: Her ses en elektrotermisk simulering af en MOSFET ved hjælp af online-simulatoren PartQuest Explore. (Billedkilde: Nexperia)

I det øverste tilfælde "t_{j_ingen_selv_opvarmning}" er forbindelsen og monteringsbasen direkte koblet til omgivelsestemperaturen (T_amb) på 0 °C uden termisk modstand (R_th). I det midterste tilfælde, "t_{j_selv_opvarmning}", er chippen koblet via R_th-j, og T_j stiger med ca. 0,4 °C. Det nederste tilfælde viser en monteringsbase (mb), der er koblet til den omgivende temperatur via R_{th_mb} på et sekslags FR4-kort og en køleplade. T_mb (grøn) stiger til 3,9 °C, og T_j (rød) stiger til 4,3 °C.

Konklusion

LFPAK56D-MOSFET'er med ultra-lavt tab giver fremragende effektivitet og effekttæthed i hurtigt koblende konvertere eller motordrivere. De kredsløbs- og termiske PCB-designovervejelser og den elektrotermiske simulering, der diskuteres her, illustrerer, hvordan designere kan overvinde udfordringerne ved robuste, højeffektive og pladsbegrænsede designs.