Maksimer strømtettheten og ytelsen ved å bytte omformerutrustninger med doble MOSFET

Industriomformere og omformere og motorer for bilindustrien krever MOSFET-er (metalloksid-silisiumfelteffekttransistorer / metal oxide silicon field effect transistors) som er små, effektive og genererer minimalt med elektrisk støy. En dobbel MOSFET-tilnærming bidrar til å oppfylle disse kravene.

Ved å plassere to MOSFET-er i én enkelt kapsling, bruker godt utformede doble MOSFET mindre plass på kretskortet (PCB), reduserer parasittisk induktans og eliminerer behovet for store og kostbare kjøleribber ved å forbedre termisk ytelse. Slike enheter kan veksle uten forstyrrelser ved flere hundre kilohertz (kHz), fungerer stabilt over et bredt temperaturområde og har lav lekkasjestrøm. Designere må imidlertid forstå deres driftsegenskaper for å realisere fordelene med disse delene fullt ut.

Denne artikkelen viser eksempler på doble MOSFET fraNexperia og viser hvordan designere kan bruke dem til å møte utfordringene med robuste, høyeffektive og plassbegrensede design. Den tar for seg måter å optimalisere krets- og PCB-design på, og gir tips om elektrotermisk simulering og tapsanalyse.

Større virkningsgrad ved høy vekslingshastighet

Doble MOSFET-er passer til mange utrustninger i kjøretøyer (AEC-Q101) og industri, inklusive lineære DC-DC-omformere (DC/DC switching converters), motoromformere og magnetventilregulatorer. Disse utrustningene kan bruke doble MOSFET i bryterpar- og halvbro-topologier, i tillegg til andre konfigurasjoner.

Nexperias LFPAK56D-serie er et bemerkelsesverdig eksempel på doble MOSFET-enheter. De er utstyrt med Nexperias kobberklips-teknologi, som gir eksepsjonell strømkapasitet, en kapsling med lav impedans og høy pålitelighet (bilde 1, til høyre). Disse solide kobberklemmene gir bedre varmespredning fra halvledersubstratet gjennom de loddede skjøtene til PCB-en, slik at omtrent 30 % av den totale varmen som fjernes, får strømme gjennom source-pinnene. De store kobbertverrsnittene reduserer også det ohmske effekttapet og reduserer dempet svingning ved å redusere den parasittiske ledningsinduktansen.

Bilde 1: LFPAK56D-kapslingen (til høyre) integrerer to selvstendige MOSFET og bruker kobberklemmestrukturer som ligner påLFPAK56 enkel MOSFET-pakke (til venstre). (Bildekilde: Nexperia)

Som de fleste deler beregnet på høyspent ikke lineære omformere (switching converters), bruker LFPAK56D teknologi med super-sperreskikt. Denne utformingen reduserer drain-source-ledemotstand "på-motstand" (R_{DS (på)} ) og gate-drain-ladningens (Q_GD ) parametere, og minimerer effekttrømtap. Når to MOSFET brukes på samme underlag, reduseres ytterligere drain-source-motstand mot dreneringskilde.

Som superkryss-MOSFET er LFPAK56D-serien robust mot skredhendelser og har et bredt trygt operasjonsområde (SOA). Hver av 100 volt MOSFETene iPSMN029-100HLX TrenchMOS-enheten har for eksempel en 29 milliohm (mΩ) R_DS(på), kan håndtere 68 watt, og kan passere opptil 30 ampere (A).

LFPAK56D-serien bruker ogsåNXPs SchottkyPlus-teknologi for å redusere spike-adferd og lekkasjestrøm. Den typiske R_DS(på) forPSMN014-40HLDX er for eksempel vanligvis 11,4 mΩ, og drain-source-lekkasjestrømmen er på ekstremt lave 10 nanoampere (nA).

For å utnytte den høye strømmen til MOSFET fullt ut, må PCB-en utformes for å spre høy varme og sikre stabile, elektriske tilkoblinger. Flerlags-PCB-er med tilstrekkelige gjennomgangsbaner og store, tykke kobberlederspor, sikrer høy termisk rusing.

Unngå ukontrollerbar termisk tilstand

Selv om effekt-MOSFET-er som er helt innkoblet, er termisk stabile, er det en risiko for ukontrollerbar termisk tilstand når drain-strømmen (_ID) er lav.I denne driftstilstanden har lokalisert oppvarming en tendens til å senke terskelenverdien for gate-source-spenningen (V_GS(th)), noe som betyr at det blir lettere å slå på enheten. Dette skaper en positiv feedback-situasjon der tilleggsstrømmen forårsaker mer oppvarming og en enda lavere V_GS(th).

Figur 2 viser denne effekten for en konstant drain-source-spenning (_VDS). Etter hvert som_VGS øker, oppstår det en kritisk_ID som kalles ZTC (Zero Temperature Coefficient). Over denne strømmen er det negativ tilbakekobling og termisk stabilitet (blå sone), mens under den dominerer terskelspenningsfallet, noe som resulterer i termisk ustabile driftspunkter som kan føre til ukontrollerbar termisk tilstand (rød sone).

Figur 2: Under ZTC-punktet kan MOSFET-en komme i ukontrollerbar termisk tilstand på grunn av et termisk indusert_VGS-fall (rødt område). (Bildekilde: Nexperia)

Denne effekten reduserer SOA ved lave strømmer og høye drain-source-spenninger. Dette er ikke en betydelig bekymring for operasjoner med raske vekslinger med en bratt dV/dt-helling. Men ettersom svitsjevarigheten øker, for eksempel for å redusere elektromagnetisk interferens, blir det mer sannsynlig at den termiske ustabiliteten blir potensielt farlig.

Lavere vekslingstap ved høye frekvenser

Når du velger en MOSFET med super-sperreskikt for rask bytte, vil en lav Q_GD være viktig, da dette gir betydelig lavere byttetap.

Høyt effekttap oppstår under veksling når betydelige spennings- og strømendringer vises samtidig mellom drain, gate og source. Lav Q_GD resulterer i et kort Miller-platå (Figur 3, venstre), som fører til en bratt vekslingsslope (dV_ds /dt) og til slutt resulterer i lavere dynamisk energitap under påslag (Figur 3, blått område til høyre).

Figur 3: Et kort Miller-platå (venstre) betyr en bratt vekslingshelling, noe som resulterer i lave dynamiske tap (blått område til høyre). V_gp er gate-source-spenningen til Miller-platået; V_TH er gate-terskelspenningen; I_DS er fra drain-source-strømmen. (Bildekilde:Vishay)

Begrenser avalanche (skred) og beskytter MOSFET

Ved utkoblingsmomentet til en statorspole i en motordriftsutrustning, opprettholder det kollapsende magnetfeltet strømmen, og genererer en høy induksjonsspenning over MOSFET som overlapper forsyningsspenningen (V_DD). Den omvendte sammenbruddsspenningen (V_BR) av MOSFET-kroppsdioden begrenser imidlertid denne høyspenningen. I det som er kjent som skredeffekten, konverterer MOSFET den utstrømmende magnetiske energien til skredenergi (E_DS) til spolestrømmen synker til null. Dette kan raskt føre til overoppheting av halvlederkrystallen.

Figur 4 viser en enkel spolekontroll med en MOSFET-bryter og tidssignalene før, under (tidsvindu t_AL), og etter én enkelt skredhendelse. Hvis mengden skredenergi som forsvinner (E_DS(AL)S) er for høy, vil den resulterende varmen skade halvlederstrukturen.

Figur 4: Timingsignaler til en MOSFET før, under (t_AL ) og etter én enkelt skredhendelse. (Bildekilde: Nexperia)

LFPAK56D MOSFET-ene er designet for å være svært robuste. Ifølge Nexperias laboratorietester, tåler flere milliarder skredhendelser uten skade. Med tanke på den maksimale skredenergien, kan spoledrivertrinn unnvære ekstra frihjuls- eller klemdioder og kun bruke skreddriften til disse MOSFET-ene.

Elektrotermisk online-simulering

For å forbedre systemets effektivitet, er det ikke tilstrekkelig å stole på én enkelt Figure of Merit (FOM), for eksempel R_DS x Q_GD-produkt. I stedet må designere utføre en mer presis tapsanalyse som tar hensyn til MOSFET-tap som følge av:

• Innkoblingsevne
• Inn- og utkoblingstap
• Lading og utlading av utgangskapasitansen
• Kontinuitet og koblingstap av kroppsdioden
• Lading og utlading av gate-kapasitans

For å minimere totale tap, må designere forstå forholdet mellom MOSFET-parametrene og driftsmiljøet. For dette formål tilbyr Nexperia elektrotermiske presisjonsmodeller for MOSFET som kombinerer elektrisk og termisk ytelse og representerer all viktig MOSFET-atferd. Utviklere kan brukePartQuest Utforsk online-simulator eller importere modellene i SPICE- og VHDL-AMS-format til deres valgte simuleringsplattform.

I skrivende stund er kun de elektriske modellene tilgjengelige for LFPAK56D MOSFET. Derfor omhandler følgende termiske simuleringseksempel en annen type MOSFET, BUK7S1R0-40H.

Det interaktive eksperimentetIAN50012 Elektrotermiske modeller for effekt-MOSFET simulerer tre oppvarmingsscenarier for BUK7S1R0-40H MOSFET etter at en laststrøm på 36,25 A er slått på. Figur 5 viser de tre simuleringsoppsettene til venstre.

Figur 5: Viser en elektrotermisk simulering av en MOSFET ved bruk av PartQuest Explore online-simulator. (Bildekilde: Nexperia)

I det øvre eksemplet, «t_j _no_self_heating», er koblingen og monteringsokkelen direkte koblet til omgivelsestemperaturen (T_amb) på 0 °C uten termisk motstand (R_th). I det mellomste tilfellet "t_j _self_heating», er brikken koblet via R_th-j , og T_j stiger med rundt 0,4 °C. Den nedre bokstaven viser en monteringssokkel (mb) koblet til omgivelsestemperaturen via R_{th_mb} av et seks-lags FR4-kort med kjøleribbe. T_mb (grønn) stiger til 3,9 °C og T_j (rød) stiger til 4,3 °C.

Konklusjon

LFPAK56D MOSFET med ultralavt tap gir utmerket virkningsgrad og effekttetthet i lineære omformere med hurtig veksling eller motordrivere. Hensynene til krets- og termiske PCB-design og den elektrotermiske simuleringen som er omtalt her, illustrerer hvordan designere kan overvinne utfordringene med robuste, svært effektive og plassbegrensede design.