Evaluering av effekt-MOSFET-er med super-sperreskikt for ytelse og virkningsgrad

Effekt-MOSFET-er med super-sperreskikt har dominert høyspente ikke-lineære utrustninger såpass lenge at det er fristende å tro at det må finnes bedre alternativer der ute. Deres evne til å fortsette å levere en balanse mellom ytelse, virkningsgrad og kostnadseffektivitet gjør dem imidlertid uunnværlige når det gjelder å optimalisere elektroniske strømutrustninger for mange nye bruksområder.

Silisium-baserte MOSFET-er med super-sperreskikt har vært kommersielt tilgjengelige siden århundreskiftet, og de ble opprettet ved å stable vekslende p-type- og n-type-lag av halvledermateriale, for å danne PN-grenseskikt som resulterte i redusert ledemotstand (R_DS(ON)) og gate-ladning (Q_g), sammenlignet med tradisjonelle planar-MOSFET-er. Disse fordelene er kvantifisert i et kvalitetstall (FOM – figure of merit), der FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM kvantifiserer hvor mye motstand MOSFET-en har når den er på og hvor mye ladning som kreves for å slå den av og på.

Q_g gir en praktisk sammenligning av vekslingsytelsen, men noen ganger kan det legges for mye vekt på dette. Moderne gate-drivere er tilgjengelige for å møte de fleste kravene til gate-ladning, så utviklere som jager etter enda bedre optimalisering, risikerer å øke kostnadene på bekostning av å forbedre andre kritiske parametere.

Ladebalanseutførelsen i MOSFET-en med super-sperreskikt muliggjør tynnere og kraftigere dopede områder. Den effektive strømomformingen stammer fra muligheten til å raskere slå MOSFET-en på og av, noe som reduserer vekslingstap. Problemer relatert til varmeregulering forenkles også ettersom den forbedrede virkningsgraden genererer mindre varme under drift.

Når, eller om, de skal brukes, avhenger selvfølgelig av de spesifikke kravene til utrustningen. De er populære i utrustninger der høyspent vekslingsytelse og kompakt konstruksjon er ønskelig, for eksempel AC–DC-strømforsyninger og -omformere, frekvensomformere, solenergiinvertere og andre utrustninger.

Ikke overse Q_rr-verdier

En annen faktor som må tas i betraktning når MOSFET-er med super-sperreskikt skal velges for en utrustning, er sperreforsinkelsesladningen (Q_rr) som bygges opp i PN-grenseskiktet når strømmen flyter gjennom MOSFET-ens body-diode under en vekslingssyklus. Når denne er høy kan spenningstopper og tap oppstå, så en lavere gjenvinningsladning (recovery charge) er viktig for å forbedre virkningsgraden og minimere vekslingstap.

Forbigående hendelser på grunn av høy Q_rr kan også generere elektromagnetisk interferens (EMI), noe som påvirker sensitive komponenter og signalintegriteten negativt.

Reduksjon av Q_rr er fordelaktig for å forbedre ytelsen, spesielt i høyfrekvente utrustninger der disse virkningene er forstørret, og for å sikre optimal drift og samsvar med EMI-parametere. Fra et produktutviklingsperspektiv kan lavere kostnader gi følgende fordeler:

• Reduserte vekslingstap etter hvert som energitapet minimeres
• Forbedret virkningsgrad på grunn av bedre energiutnyttelse
• Forbedret termisk ytelse, med redusert varmeproduksjon under veksling
• Redusert EMI takket være reduserte spenningstopper og dempede svingninger
• Langsiktig pålitelighet på grunn av mindre stress under vekslingssykluser

Vanligvis, jo høyere utrustningens frekvens er, jo større er prioriteten for å bruke en lavere Q_rr. Det er også viktig å fastsette hvordan denne faktoren bidrar til varmegenerering i utrustningen og de påfølgende kjølebehovene.

Etter å ha valgt én eller flere potensielle MOSFET-er, kan konstruktører bruke simuleringsverktøy til å modellere MOSFET-en og hvordan Q_rr vil reagere i utrustningen og påvirke ytelsen. Eksperimentell testing med et oscilloskop og en strømprobe kan gi målinger av vekslingshendelser med en bestemt MOSFET.

Samsvaring av disse verdiene i henhold til behovene til en utrustning, avhenger av å finne den riktige balansen mellom virkningsgrad og andre parametere som termisk ytelse, konduktans i fremoverretning, terskelspenning og diodespenning.

Velge riktig effekt-MOSFET

Nexperia tilbyr to produktfamilier med MOSFET-er med super-sperresjikt, og disse tar sikte på å gi produktutviklere en rekke alternativer for å finne den rette kombinasjonen av vekslingsytelse og diverse utrustningskrav.

Selskapets NextPower 80 V og 100 V MOSFET-er er egnet for utviklere som fokuserer på høyvirksom veksling og utrustninger med høy pålitelighet, slik som strømforsyninger, industrielle utrustninger og telekommunikasjon. Enhetene leverer en Q_rr-verdi på ned til 50 nanocoulomb (nC), med lavere sperreforsinkelsesstrøm (I_rr), lavere spenningstopper (V_peak) og redusert dempet svingning.

Enhetene er tilgjengelige i LFPAK56-, LFPAK56E- og LFPAK88-kobberklemmekapslinger, og de gir plassbesparende fleksibilitet uten at det går på bekostning av termisk ytelse eller pålitelighet. LFPAK56/LFPAK56E-kapslingen har et format på 5 mm x 6 mm, eller 30 mm², en plassbesparelse på 81 % sammenlignet med D²PAK på 163 mm², og 57 % sammenlignet med DPAK på 70 mm² (figur 1).

Figur 1: Sammenligning av LFPAK56-kapslingen (høyre) med D²PAK- (venstre) og DPAK-formatene. (Bildekilde: Nexperia)

LFPAK56E (figur 2) er en forbedret versjon av LFPAK56, som oppnår lavere motstand samtidig som den opprettholder det samme kompakte formatet, noe som resulterer i forbedret virkningsgrad. Et eksempel på denne forbedrede kapslingen er PSMN3R9-100YSFX, en 100 V, 4,3 mOhm, N-kanal MOSFET med en kontinuerlig strøm-klassifisering på 120 A. Den er klassifisert til +175 °C og anbefales for industri- og forbrukerutrustninger, inkludert en synkron likeretter i AC–DC og DC–DC, en primærsidebryter for 48 V DC–DC, BLDC-motorstyring, USB-PD-adaptere, helbro- og halvbro-utrustninger, samt tilbakekoblings- og resonanstopologier.

Figur 2: LFPAQK56E-kapslingen for PSMN3R9-100YSFX og andre NextPower 80/100 V MOSFET-er med super-sperreskikt. (Bildekilde: Nexperia)

NextPower PSMN2R0-100SSFJ, en 100 V, 2,07 mOhm, 267 Amp, N-kanal MOSFET som kommer i en LFPAK88-kapsling med et format på 8 mm x 8 mm. Den er klassifisert til +175 °C og anbefales for bruk i industri- og forbrukerutrustninger, for eksempel en synkron likeretter i AC–DC og DC–DC, en primærsidebryter, BLDC-motorstyring, helbro- og halvbroutrustninger og batteribeskyttelse.

For konstruktører som ønsker å prioritere høy ytelse og pålitelighet, er NextPowerS3 MOSFET-er tilgjengelige i versjoner med 25 V, 30 V og 40 V og en Schottky-Plus-body-diode som leverer lav R_DS(ON) og en demonstrert kontinuerlig strømkapasitet på opptil 380 A. PSMN5R4-25YLDX, for eksempel, er en NextPowerS3 N-kanal logisk nivå-MOSFET på 25 V, 5,69 mΩ, i en standard LFPAK56-kapsling.

Nexperias «Schottky-Plus»-teknologi leverer høy virkningsgrad og lav spissytelse, noe som vanligvis er forbundet med MOSFET-er som har en integrert Schottky-diode eller Schottky-lignende diode, men uten problematisk høy lekkasjestrøm, og den gir <1 μA lekkasje ved +25 °C.

NextPowerS3-enhetene anbefales for en rekke utrustninger, inkludert integrerte DC-til-DC-løsninger for server- og telekommunikasjon, spenningsregulatormoduler (VRM – voltage regulator module), lastpunktmoduler (POL – point-of-load), nytteeffekt for V-kjerne (power delivery for V-core), ASIC, DDR, GPU, VGA og systemkomponenter og styring for motorer med og uten børster.

NextPowerS3-enheter er også tilgjengelige i en LFPAK33-kapsling som måler 3,3 mm x 3,3 mm (figur 3), inkludert PSMN1R8-30MLHX på 30 V, som er egnet for utrustninger som en synkron buck-regulator, en synkron likeretter i AC–DC- og DC–DC-enheter, BLDC-motorstyring (børsteløs), samt eFuse- og batteribeskyttelse.

Figur 3: En illustrasjon som sammenligner NextPowerS3 LKPAK33-kapslingen (høyre) med DPAK-kapslingen. (Bildekilde: Nexperia)

Konklusjon

Silisiumbaserte MOSFET-er med super-sperreskikt er uunnværlige når det gjelder å oppnå balanse mellom ytelse, virkningsgrad og kostnadseffektivitet, noe som trengs for mange nye kraftelektroniske utrustninger. Nexperias sortiment av NextPowerS3 og NextPower 80/100 V MOSFET-er gir produktutviklere en rekke egenskaper som oppfyller disse kravene, og de er tilgjengelige i kompakte og termisk forbedrede LFPAK-kapslinger som gir forbedret effekttetthet og pålitelighet.