Ocena parametrów działania i sprawności superzłączowych tranzystorów mocy MOSFET

Krzemowe superzłączowe tranzystory MOSFET dostępne na rynku od przełomu wieków powstawały poprzez nakładanie naprzemiennych warstw typu p i n materiału półprzewodnikowego w celu utworzenia złączy PN, które skutkowały obniżeniem rezystancji w stanie włączenia (RDS(ON)) i ładunku bramki (Qg) w porównaniu z tradycyjnymi tranzystorami planarnymi MOSFET. Korzyści te zostały określone ilościowo za pomocą współczynnika dobroci (FOM), gdzie FOM = RDS(ON) x Qg.

Współczynnik dobroci (FOM) określa ilościowo, jaką rezystancję ma tranzystor MOSFET, gdy jest włączony oraz jaki ładunek jest wymagany do włączenia i wyłączenia.

Wartość Qg stanowi przydatne porównanie parametrów przełączania, ale czasami jej znaczenie może być przeceniane. Nowoczesne sterowniki bramek są w stanie spełnić większość wymagań dotyczących ładunku bramki, więc projektanci, którzy chcą uzyskać jeszcze większą optymalizację, ryzykują wzrost kosztów projektu, mimo że inne krytyczne parametry mogą zostać poprawione.

Konstrukcja równoważenia ładunku w superzłączowych tranzystorach MOSFET pozwala na stosowanie cieńszych i bardziej domieszkowanych obszarów. Ich sprawność w konwersji energii wynika z możliwości szybszego włączania i wyłączania tranzystorów MOSFET, co zmniejsza straty przełączania. Uproszczeniu ulegają również kwestie związane z odprowadzaniem ciepła, ponieważ lepsza sprawność generuje mniej ciepła podczas pracy.

To, czy i kiedy należy je stosować, zależy oczywiście od konkretnych wymagań danego zastosowania. Są one popularne w zastosowaniach, gdzie wymagana jest wysoka sprawność przełączania i kompaktowa konstrukcja, takich jak zasilacze i przetwornice prądu zmiennego na stały, napędy silnikowe o zmiennej częstotliwości, falowniki solarne i inne.

Nie należy zapominać o wartościach Qrr

Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy doborze superzłączowych tranzystorów MOSFET do danego zastosowania, jest ładunek regeneracji wstecznej (Qrr) - ładunek, który gromadzi się w złączu PN podczas przepływu prądu przez diodę podłożową tranzystora MOSFET podczas cyklu przełączania. Wysokie wartości mogą prowadzić do skoków napięcia i dodatkowych strat, dlatego niższy ładunek regeneracji jest ważny dla poprawy sprawności i minimalizacji strat przełączania.

Stany nieustalone spowodowane wysokim Qrr mogą również generować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), wpływając niekorzystnie na wrażliwe komponenty i integralność sygnału.

Redukcja Qrr jest korzystna dla poprawy parametrów działania, zwłaszcza w zastosowaniach wysokiej częstotliwości, gdzie efekty te ulegają wzmocnieniu, a także w celu zapewnienia optymalnego działania i zgodności z parametrami zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Z punktu widzenia projektu produktu, niższy ładunek może przynieść następujące korzyści:

• Obniżenie strat przełączania dzięki minimalizacji strat energii
• Wyższa sprawność dzięki lepszemu wykorzystaniu energii
• Udoskonalone parametry termiczne i zmniejszone wydzielanie ciepła podczas przełączania
• Redukcja zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) dzięki zmniejszeniu skoków napięcia i oscylacji komutacyjnych
• Długoterminowa niezawodność dzięki mniejszym obciążeniom podczas cykli przełączania

Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa częstotliwość danego zastosowania, tym wyższy priorytet zastosowania niższego Qrr. Ważne jest również, aby określić, w jaki sposób ten czynnik przyczynia się do wytwarzania ciepła w zastosowaniu i wynikającego z tego zapotrzebowania na chłodzenie.

Po wybraniu jednego lub kilku potencjalnych tranzystorów MOSFET, projektanci mogą użyć narzędzi symulacyjnych w celu modelowania tranzystora MOSFET i sposobu, w jaki Qrr zachowa się w danym zastosowaniu oraz jak wpłynie na parametry działania. Próby doświadczalne z użyciem oscyloskopu i sondy prądowej pozwalają uzyskać pomiary zdarzeń przełączania dla konkretnego tranzystora MOSFET.

Dopasowanie tych wartości do potrzeb danego zastosowania zależy od znalezienia odpowiedniej równowagi pomiędzy sprawnością i innymi parametrami, takimi jak parametry termiczne, transkonduktancja, napięcie progowe i napięcie przewodzenia diody.

Dobór właściwego tranzystora mocy MOSFET

Firma Nexperia oferuje dwie grupy produktowe superzłączowych tranzystorów mocy MOSFET, których celem jest zapewnienie projektantom szeregu opcji umożliwiających dobranie odpowiedniej kombinacji parametrów przełączania do wymagań różnych zastosowań.

Tranzystory MOSFET 80V i 100V NextPower tej firmy są przeznaczone do projektów, gdzie istotne jest przełączanie o wysokiej sprawności oraz do zastosowań wymagających wysokiej niezawodności, takich jak zasilacze, konstrukcje przemysłowe i telekomunikacja. Omawiane urządzenia zapewniają wartość Qrr na poziomie zaledwie 50nC, przy niższym prądzie wstecznym regeneracji (Irr), niższych skokach napięcia (Vpeak) i obniżonych zakłóceniach komutacyjnych.

Urządzenia te są dostępne w obudowach z klipsami miedzianymi LFPAK56, LFPAK56E oraz LFPAK88 i zapewniają elastyczność oraz oszczędność miejsca bez pogorszenia parametrów termicznych i niezawodności. Obudowa LFPAK56/LFPAK56E zajmuje powierzchnię 5mm na 6mm, czyli 30mm2, co oznacza 81% oszczędności miejsca w porównaniu z modelem D2PAK o powierzchni 163mm2, oraz 57% w porównaniu z DPAK o powierzchni 70mm2 (ilustracja 1).

LFPAK56E (ilustracja 2) to udoskonalona wersja urządzenia LFPAK56, która charakteryzuje się niższą rezystancją przy zachowaniu tej samej kompaktowej powierzchni, co przekłada się na wyższą sprawność. Przykładem urządzenia w tej ulepszonej obudowie jest PSMN3R9-100YSFX, czyli tranzystor MOSFET z kanałem N 100V 4,3mΩ o znamionowym prądzie ciągłym 120A. Posiada on kwalifikację do stosowania w temperaturach do +175°C oraz jest zalecany do zastosowań przemysłowych i konsumenckich, takich jak np. prostowniki synchroniczne prądu z konwersją prądu zmiennego na stały i prądu stałego na stały, przełączniki strony pierwotnej dla zastosowań stałoprądowych 48V, sterowanie silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC), adaptery USB-PD, zastosowania pełnomostkowe i półmostkowe, a także topologie typu flyback i rezonansowe.

Tranzystor MOSFET z kanałem N PSMN2R0-100SSFJ NextPower o napięciu 100V, rezystancji 2,07mOhm i natężeniu prądu 267A, zamknięty jest w obudowie LFPAK88 o wymiarach 8mm na 8mm. Również posiada kwalifikację do stosowania w temperaturach do +175°C oraz jest zalecany do zastosowań przemysłowych i konsumenckich, takich jak np. prostowniki synchroniczne prądu w zastosowaniach z konwersją prądu zmiennego na stały i prądu stałego na stały, przełączniki strony pierwotnej, sterowanie silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC), zastosowania pełnomostkowe i półmostkowe, a także zabezpieczenia baterii.

W przypadku projektantów, dla których priorytetem są wysokie parametry działania i niezawodność, tranzystory MOSFET NextPowerS3 są dostępne w wersjach 25V, 30V i 40V z diodą Schottky-Plus o niskiej rezystancji w stanie włączenia RDS(ON), które wykazują ciągłą wytrzymałość prądową do 380A. Na przykład urządzenie PSMN5R4-25YLDX to tranzystor poziomów logicznych MOSFET z kanałem N NextPowerS3 o napięciu 25V, 5,69mΩ w standardowej obudowie LFPAK56.

Technologia „Schottky-Plus” firmy Nexperia zapewnia wysoką sprawność, ograniczenie skoków napięcia typowe dla tranzystorów MOSFET ze zintegrowaną diodą Schottky'ego lub podobną, ale bez problematycznie wysokiego prądu upływu, który wynosi tutaj <1μA przy +25°C.

Urządzenia NextPowerS3 są zalecane do wielu zastosowań, takich jak wbudowane rozwiązania stałoprądowe do serwerów i telekomunikacji, moduły regulatorów napięcia (VRM), moduły punktu obciążenia (POL), zasilanie dla rdzeni V, specjalizowane układy scalone (ASIC), pamięci DDR, procesory graficzne (GPU), komponenty VGA i systemowe oraz sterowanie silnikami szczotkowymi i bezszczotkowymi.

Urządzenia NextPowerS3 są również dostępne w obudowach LFPAK33 3,3mm x 3,3mm (ilustracja 3) na przykład urządzenie PSMN1R8-30MLHX 30V odpowiednie do użycia w synchronicznych regulatorach obniżających, prostownikach synchronicznych w zastosowaniach z konwersją prądu zmiennego na stały i prądu stałego na stały, sterowaniu silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDC), a także w bezpiecznikach elektronicznych eFuse i zabezpieczeniach baterii.

Podsumowanie

Krzemowe superzłączowe tranzystory mocy MOSFET są niezbędne dla osiągnięcia równowagi pomiędzy parametrami działania, sprawnością i opłacalnością, co jest niezbędne w wielu nowych zastosowaniach energoelektronicznych. Portfolio tranzystorów MOSFET NextPowerS3 i NextPower 80/100V firmy Nexperia oferuje projektantom szereg charakterystyk spełniających te wymagania. Tranzystory te są dostępne w kompaktowych obudowach LFPAK o podwyższonych parametrach termicznych, zapewniających wyższą gęstość mocy i niezawodność.

Źródło: Ocena parametrów działania i sprawności superzłączowych tranzystorów mocy MOSFET

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!