Super-junction-teknologiaa käyttävien MOSFET-tehotransistorien suorituskyvyn ja hyötysuhteen arviointi

Super-junction-teknologiaa käyttävät MOSFET-tehotransistorit ovat hallinneet korkean jännitteen kytkentäsovelluksia niin pitkään, että on houkuttelevaa ajatella, että olemassa täytyy olla parempia vaihtoehtoja. Ne ovat kuitenkin korvaamattomia elektroniikan virransyöttöratkaisuiden optimoinnissa monissa uusissa sovelluksissa, koska ne voivat tarjota tasapainon suorituskyvyn, hyötysuhteen ja kustannustehokkuuden välillä.

Vuosisadan vaihteesta lähtien myynnissä olleet piipohjaiset super-junction-teknologiaa käyttävät MOSFET-transistorit valmistettiin pinoamalla vuorotellen p- ja n-tyypin puolijohdekerroksia PN-liitosten luomiseksi, mikä johti pienempään johtamisresistanssiin (R_DS(ON)) ja hilavaraukseen (Q_g) perinteisiin planaarisiin MOSFET-transistoreihin verrattuna. Näitä etuja kuvataan hyvyysluvulla (FOM), jossa FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM määrittää, kuinka korkea MOSFET-transistorin resistanssi on sen johtaessa ja kuinka suuri varaus tarvitaan sen kytkemiseksi päälle ja pois päältä.

Q_g tarjoaa kätevän vertailun kytkentäsuorituskyvystä, mutta joskus sitä voidaan korostaa liikaa. Saatavilla on moderneja hilaohjaimia, jotka täyttävät useimmat hilavarausvaatimukset, joten on olemassa vaara, että jos kehittäjät tavoittelevat vieläkin korkeampaa optimointitasoa, tämä nostaa niiden kustannuksia ja muiden kriittisten parametrien parantaminen kärsii.

Super-junction-teknologiaa käyttävien MOSFET-transistorien varaustasapaino mahdollistaa ohuemmat ja voimakkaammin seostetut alueet. Niiden tehokkuus tehomuunnoksessa perustuu siihen, että MOSFET voidaan kytkeä päälle ja pois päältä nopeammin, mikä vähentää kytkentähäviöitä. Myös lämmönhallintaongelmat helpottuvat, koska korkeampi hyötysuhde tuottaa vähemmän lämpöä käytön aikana.

Niiden käyttö riippuu tietenkin kunkin sovelluksen erityisvaatimuksista. Ne ovat suosittuja sovelluksissa, joissa pyritään kytkentätehokkuuteen ja kompaktiin ratkaisuun korkeilla jännitteillä, kuten AC/DC-virtalähteissä ja -muuntimissa, moottorien taajuusmuuttajaohjaimissa, aurinkoinverttereissä jne.

Q_rr-arvoja ei saa unohtaa

Toinen tekijä, joka täytyy ottaa huomioon valittaessa super-junction-teknologiaa käyttäviä MOSFET-transistoreita, on estosuunnan toipumisvaraus (Q_rr). Se on varaus, joka muodostuu PN-liitokseen, kun virta kulkee MOSFET-transistorin runkodiodin läpi kytkentäsyklin aikana. Kun se on korkea, se voi aiheuttaa jännitepiikkejä ja lisähäviöitä, joten alhaisempi toipumisvaraus on tärkeä hyötysuhteen parantamiseksi ja kytkentähäviöiden minimoimiseksi.

Korkeasta Q_rr-arvosta johtuvat transienttitapahtumat voivat myös aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), mikä vaikuttaa haitallisesti herkkiin komponentteihin ja signaalin eheyteen.

Q_rr-arvon pienentäminen on hyödyllistä suorituskyvyn parantamiseksi erityisesti korkeataajuussovelluksissa, joissa nämä vaikutukset vahvistuvat, sekä optimaalisen ja EMI-parametrien mukaisen toiminnan varmistamiseksi. Alhaisempi varaus voi tarjota tuotesuunnittelun näkökulmasta seuraavia etuja:

• vähemmän kytkentähäviöitä, sillä energiahäviö on minimoitu
• parempi hyötysuhde energian paremman hyödyntämisen ansiosta
• parempi terminen suorituskyky, kun lämmönmuodostus vähenee kytkennän aikana
• vähemmän EMI-häiriöitä jännitepiikkien ja värähtelyn vähenemisen ansiosta
• pitkäaikaisempi luotettavuus, koska kytkentäsyklien aikana syntyy vähemmän rasitusta.

Mitä korkeampi sovelluksen taajuus on, sitä tärkeämpää on tavallisesti käyttää alhaisempaa Q_rr-arvoa. On myös tärkeää määrittää, miten tämä tekijä vaikuttaa sovelluksessa lämmönmuodostukseen ja siitä seuraaviin jäähdytysvaatimuksiin.

Kun suunnittelijat ovat valinneet yhden tai useampia MOSFET-vaihtoehtoja, he voivat käyttää simulointityökaluja MOSFET-transistorin mallintamiseen ja sen määrittämiseen, miten Q_rr-arvo käyttäytyy sovelluksessa ja miten se vaikuttaa sen suorituskykyyn. Oskilloskoopilla ja virtamittauspäällä suoritettavalla kokeellisella testauksella voidaan mitata tietyn MOSFET-transistorin kytkentätapahtumia.

Näiden arvojen sovittaminen sovelluksen tarpeisiin riippuu sopivan tasapainon löytämisestä hyötysuhteen ja muiden parametrien, kuten termisen suorituskyvyn, siirtokonduktanssin, kynnysjännitteen ja diodin myötäsuuntaisen jännitteen, välillä.

Sopivan MOSFET-tehotransistorin valinta

Nexperialla on kaksi super-junction-teknologiaa käyttävää MOSFET-tehotransistorien tuoteperhettä, joiden tarkoituksena on tarjota tuotesuunnittelijoille erilaisia vaihtoehtoja sopivan kytkentäsuorituskykyparametrien yhdistelmän löytämiseksi erilaisiin sovellusvaatimuksiin.

Yrityksen NextPower-sarjan 80 V- ja 100 V MOSFET-transistorit soveltuvat suunnittelijoille, jotka työskentelevät korkeaa kytkentätehokkuutta ja korkeaa luotettavuutta vaativien sovelluksien kanssa, esimerkkeinä virtalähteet, teollinen suunnittelu ja tietoliikenne. Näiden laitteiden Q_rr on jopa vain 50 nanokoulombia (nC). Tämä tarjoaa pienemmän estosuunnan toipumisvirran (I_rr), pienemmät jännitepiikit (V_peak) ja pienemmän värähtelyn.

Näitä laitteita on saatavilla LFPAK56-, LFPAK56E- ja LFPAK88-kupariliuskakoteloissa, ja ne tarjoavat tilaa säästävää joustavuutta termisestä suorituskyvystä ja luotettavuudesta tinkimättä. LFPAK56/LFPAK56E-kotelon koko on vain 5 mm x 6 mm, eli 30 mm², mikä merkitsee 81 %:n tilansäästöä 163 mm²:n D²PAK-koteloon ja 57 %:n tilansäästöä 70 mm²:n DPAK-koteloon verrattuna (kuva 1).

Kuva 1: LFPAK56-kotelon (oikealla) sekä D²PAK- (vasemmalla) ja DPAK-koteloiden välinen kokovertailu. (Kuvan lähde: Nexperia)

LFPAK56E (kuva 2) on parannettu versio LFPAK56-kotelosta, joka tarjoaa alhaisemman resistanssin samassa kompaktissa koossa, mikä parantaa hyötysuhdetta. Esimerkki tästä parannetusta kotelosta on PSMN3R9-100YSFX, 100 voltin, 4,3 milliohmin ja N-kanavan MOSFET-transistori, jonka jatkuva virtaluokitus on 120 A. Sen maksimi lämpötilaluokitus on +175 °C , ja sitä suositellaan teollisuus- ja kuluttajasovelluksiin, mukaan lukien synkroninen tasasuuntaaja AC/DC- ja DC/DC-sovelluksissa, ensiöpuolen kytkin 48 V:n DC/DC-sovelluksissa, BLDC-moottorin ohjaus, USB-PD-adapterit, koko- ja puolisiltasovellukset sekä flyback- ja resonanssitopologiat.

Kuva 2: PSMN3R9-100YSFX-transistorin ja muiden NextPower-sarjan 80/100 V:n super-junction-teknologiaa käyttävien MOSFET-tehotransistorien LFPAQK56E-kotelo. (Kuvan lähde: Nexperia)

NextPower-sarjan PSMN2R0-100SSFJ on 100 voltin, 2,07 milliohmin ja 267 ampeerin N-kanavan MOSFET-transistori, joka käyttää 8 mm x 8 mm:n LFPAK88-koteloa. Sen maksimi lämpötilaluokitus on +175 °C, ja sitä suositellaan teollisuus- ja kuluttajasovelluksiin, kuten synkroniseen tasasuuntaajaan AC/DC- ja DC/DC-sovelluksissa, ensiöpuolen kytkimeen, BLDC-moottorin ohjaukseen, koko- ja puolisiltasovelluksiin sekä akun suojaukseen.

Jos suunnittelijat haluavat priorisoida korkeaa suorituskykyä ja luotettavuutta, NextPowerS3-sarjan MOSFET-transistorit ovat saatavilla 25 V, 30 V ja 40 V:n versioina Schottky-Plus-runkodiodilla. Se tarjoaa alhaisen R_DS(ON)-arvon ja todistetusti jopa 380 A:n jatkuvan virtaluokituksen. Esimerkiksi PSMN5R4-25YLDX on NextPowerS3-sarjan N-kanavan 25 voltin ja 5,69 milliohmin logiikkatason MOSFET-transistori vakiomallisessa LFPAK56-kotelossa.

Nexperian ”Schottky-Plus”-tekniikka tarjoaa korkean hyötysuhteen ja vähentää jännitepiikkejä, joita yleensä liittyy MOSFET-transistoreihin, joihin on integroitu Schottky- tai Schottkyn kaltainen diodi, mutta ilman ongelmallista korkeaa vuotovirtaa: vuotovirta on alle 1 μA lämpötilassa +25 °C.

NextPowerS3-sarjan transistoreita suositellaan erilaisiin sovelluksiin, kuten palvelinten ja tietoliikenteen integroituihin DC-DC-ratkaisuihin, jänniteregulaattorimoduuleihin (VRM), kuormapistemoduuleihin (POL), V-ytimen, ASIC-, DDR-, GPU-, VGA- ja järjestelmäkomponenttien virransyöttöön sekä harjallisten/harjattomien moottorin ohjaukseen.

NextPowerS3-laitteita on saatavana myös 3,3 mm x 3,3 mm:n LFPAK33-kotelossa (kuva 3), joihin kuuluu 30 V:n PSMN1R8-30MLHX. Se soveltuu mm. sellaisiin sovelluksiin kuten synkroniseen jännitteenalennusregulaattoriin, synkroniseen tasasuuntaajaan AC/DC- ja DC/DC-sovelluksissa, harjattoman BLDC-moottorin ohjaukseen sekä e-sulakkeisiin ja akkusuojaukseen.

Kuva 3: Kuvassa esitetään NextPowerS3-sarjan LKPAK33-kotelon (oikealla) ja DPAK-kotelon välinen vertailu. (Kuvan lähde: Nexperia)

Yhteenveto

Piipohjaiset super-junction-teknologiaa käyttävät MOSFET-tehotransistorit ovat korvaamattomia, kun halutaan saavuttaa monissa tehoelektroniikan uusissa sovelluksissa tarvittava suorituskyvyn, hyötysuhteen ja kustannustehokkuuden välinen tasapaino. Nexperian NextPowerS3- ja NextPower-sarjojen 80/100 V:n MOSFET-tuotevalikoima tarjoaa tuotesuunnittelijoille useita ominaisuuksia, jotka täyttävät nämä vaatimukset. Ne ovat saatavana kompakteissa ja termisesti parannelluissa LFPAK-koteloissa, jotka parantavat tehotiheyttä ja luotettavuutta.