Maksimoi MOSFET-kaksoistransistoreilla hakkurimuuntajasovellusten tehotiheys ja suorituskyky

Teollisuuden ja autoteollisuuden hakkurimuuntajat ja moottoriohjaimet tarvitsevat MOSFET-transistoreita, jotka ovat pieniä, toimivat korkealla hyötysuhteella ja tuottavat mahdollisimman vähän sähköistä kohinaa. Lähestymistapa, jossa käytetään MOSFET-kaksoistransistoria, auttaa täyttämään nämä vaatimukset.

Hyvin suunnitellussa MOSFET-kaksoistransistorissa kaksi MOSFET-transistoria sijoitetaan samaan koteloon, jolloin ne vievät vähemmän tilaa piirilevyllä, vähentävät loisinduktansseja ja poistavat suurten ja kalliiden jäähdytyselementtien tarpeen paremman lämpöteknisen suorituskykynsä ansiosta. Tällaiset komponentit voivat kytkeä häiriöttömästi usean sadan kilohertsin taajuudella ja toimia vakaasti laajalla lämpötila-alueella sekä alhaisella vuotovirralla. Suunnittelijoiden on kuitenkin ymmärrettävä niiden toimintaominaisuudet, jotta he voivat hyödyntää näiden komponenttien edut täysin.

Tässä artikkelissa esitellään esimerkkejä Nexperia-yrityksen MOSFET-kaksoistransistoreista ja kerrotaan, miten suunnittelijat voivat käyttää niitä toteuttaakseen kestäviä laitteita, joilla on korkea hyötysuhde ja jotka vievät vain vähän tilaa. Siinä käsitellään keinoja piirin ja piirilevyn suunnittelun optimoimiseksi ja annetaan vinkkejä sähkötermiseen simulointiin ja häviöanalysointiin.

Korkeampi hyötysuhde korkeilla kytkentänopeuksilla

MOSFET-kaksoistransistorit soveltuvat moniin autoteollisuuden (AEC-Q101) ja teollisuuden käyttökohteisiin, mukaan lukien DC/DC-hakkurimuuntajat, moottori-invertterit ja magneettiventtiilien ohjaimet. Näissä sovelluksissa voidaan käyttää MOSFET-kaksoistransistoreita muun muassa kytkentäpareissa ja puolisiltatopologioissa.

Nexperian LFPAK56D-sarja on huomionarvoinen esimerkki MOSFET-kaksoistransistoreista. Niissä käytetään Nexperian kupariliuskatekniikkaa, joka mahdollistaa erinomaisen virtakapasiteetin, kotelon alhaisen impedanssin ja korkean luotettavuuden (kuva 1, oikealla). Nämä yhtenäiset kupariliuskat parantavat lämmön hajautumista puolijohteen perusmateriaalista juotosten kautta piirilevylle, jolloin noin 30 % poistetusta kokonaislämmöstä poistuu lähdenastojen kautta. Kupariliuskan suuri poikkipinta-ala vähentää myös ohmisia tehohäviöitä ja vaimentavat värähtelyä vähentämällä johdinten loisinduktanssia.

Kuva 1: LFPAK56D-koteloon (oikealla) on integroitu kaksi erillistä MOSFET-transistoria, ja siinä käytetään kupariliuskarakenteita, jotka ovat samankaltaisia kuin yhden MOSFET-transistorin LFPAK56-kotelossa (vasemmalla). (Kuvan lähde: Nexperia)

Kuten useimmat korkean jännitteen hakkurimuuntajiin tarkoitetut komponentit, myös LFPAK56D käyttää super junction -teknologiaa. Tämä ratkaisu minimoi tehohäviöt vähentämällä nielun ja lähteen välistä johtamisresistanssia (R_DS(on)) sekä hilan ja nielun välistä varausta (Q_GD). Kahden MOSFET-transistorin käyttäminen samalla perusmateriaalilla vähentää nielun ja lähteen välistä resistanssia entisestään.

Super junction MOSFET -transistoreina LFPAK56D-sarjan transistorit kestävät hyvin vyörypurkaustapahtumia, ja niillä on laaja turvallinen käyttöalue (SOA). Esimerkiksi jokaisen PSMN029-100HLX TrenchMOS -komponentin käyttämän 100 V:n MOSFET-transistorin R_DS(on) on 29 mΩ, teholuokitus 68 W ja virtaluokitus jopa 30 A.

LFPAK56D-sarjassa käytetään myös NXP:n SchottkyPlus-teknologiaa virtapiikkien ja vuotovirran vähentämiseksi. Esimerkiksi PSMN014-40HLDX:n tyypillinen R_DS(on) on 11,4 mΩ, ja sen nielun ja lähteen välinen vuotovirta on erittäin alhainen 10 nA.

Jotta MOSFET-transistoreiden korkeaa virtaluokitusta voitaisiin hyödyntää täysimääräisesti, piirilevy on suunniteltava dissipoimaan paljon lämpöä. Myös sähköliitäntöjen on oltava stabiilit. Monikerroksiset piirilevyt, joissa on riittävästi läpivientireikiä sekä suurikokoiset ja paksut kupariset johdinreitit, takaavat korkean lämpöteknisen suorituskyvyn.

Vältä lämpöryntäys

Vaikka täysin johtavaan tilaan ohjatut MOSFET-transistorit ovat termisesti vakaita, alhainen nieluvirta (I_D) voi aiheuttaa niissä lämpöryntäyksen riskin. Tässä toimintatilassa paikallinen kuumeneminen yleensä laskee hilan ja lähteen välistä kynnysjännitettä (V_GS(th)), mikä tarkoittaa, että komponentti kytkeytyy helpommin johtotilaan. Tämä luo positiivisen takaisinkytkentätilanteen, jossa lisävirta aiheuttaa enemmän kuumenemista ja entistä alhaisemman V_GS(th)-arvon.

Kuvassa 2 esitetään tämä vaikutus jatkuvalla nielun ja lähteen välisellä jännitteellä (V_DS). Kun V_GS kasvaa, on olemassa kriittinen I_D-arvo, joka tunnetaan nimellä nollalämpötilakerroin (ZTC). Tämän virran yläpuolella voimassa on negatiivinen takaisinkytkentä ja terminen stabiilius (sininen alue), kun taas sen alapuolella kynnysjännitteen lasku on määräävä tekijä. Tämä aiheuttaa termisesti epästabiileja toimintapisteitä, jotka voivat taas johtaa lämpöryntäykseen (punainen alue).

Kuva 2: ZTC-pisteen alapuolella MOSFET-transistorissa voi tapahtua lämpöryntäys lämmön aiheuttaman V_GS-arvon laskun (punainen alue) vuoksi. (Kuvan lähde: Nexperia)

Tämä vaikutus pienentää turvallista käyttöaluetta alhaisilla virroilla ja korkeilla nielun ja lähteen välisillä jännitteillä. Tämä ei ole merkittävä huolenaihe korkealla kytkentätaajuudella, jolloin dV/dt-nousu on jyrkkä. Kytkennän kestoajan pidentyessä (esim. sähkömagneettisten häiriöiden vähentämiseksi) termisen epästabiiliuden todennäköisyys ja vaarallisuus kuitenkin kasvavat.

Pienemmät kytkentähäviöt korkeilla taajuuksilla

Alhainen Q_GD-arvo on tärkeä valittaessa super junction MOSFET -transistoria korkean kytkentänopeuden sovelluksiin, koska se vähentää merkittävästi kytkentähäviöitä.

Kytkennän aikana syntyy suuria virtahäviöitä, kun nielun, hilan ja lähteen välillä tapahtuu huomattavia jännite- ja virtamuutoksia. Alhaisella Q_GD-arvolla Miller-tasanne on lyhyt (kuva 3, vasemmalla), minkä ansiosta kytkentänousu (dV_ds/dt) on jyrkkä ja dynaaminen energiahäviö päällekytkennän aikana on pienempi (kuva 3, sininen alue oikealla).

Kuva 3: Lyhyt Miller-tasanne (vasemmalla) tarkoittaa jyrkkää kytkentänousua, minkä ansiosta dynaamiset häviöt ovat alhaiset (sininen alue oikealla). V_gp on Miller-tasanteen hilan ja lähteen välinen jännite; V_TH on hilan kynnysjännite; I_DS on nielun ja lähteen välinen virta. (Kuvan lähde: Vishay.)

Vyörypurkausenergian rajoittaminen ja MOSFET-transistorin suojaaminen

Kun staattorikäämin virta katkaistaan moottorinohjaussovelluksessa, romahtava magneettikenttä yrittää ylläpitää sähkövirtaa ja generoi MOSFET-transistorin ylitse korkean induktiojännitteen, joka summautuu syöttöjännitteeseen (V_DD). MOSFET-runkodiodin estosuuntainen läpilyöntijännite (V_BR) kuitenkin rajoittaa tätä korkeaa jännitettä. Niin sanotussa vyöryilmiössä MOSFET-transistori muuntaa ulosvirtaavan magneettisen energian vyöryenergiaksi (E_DS), kunnes käämin virta laskee nollaan. Tämä voi ylikuumentaa puolijohdekiteen nopeasti.

Kuvassa 4 esitetään yksinkertainen käämin ohjaus MOSFET-kytkimellä sekä aikasignaalit ennen yksittäistä vyörypurkausta, sen aikana (aikaväli t_AL) ja sen jälkeen. Jos dissipoidun vyöryenergian määrä (E_DS(AL)S) on liian korkea, aiheutuva lämpö vaurioittaa puolijohteen rakennetta.

Kuva 4: MOSFET-transistorin ajoitussignaalit ennen yksittäistä vyörypurkausta, sen aikana (t_AL) ja sen jälkeen. (Kuvan lähde: Nexperia)

LFPAK56D-MOSFET-transistorit on suunniteltu erittäin kestäviksi, ja Nexperian laboratoriotestien perusteella ne kestävät useita miljardeja vyörypurkauksia ilman vaurioita. Kun otetaan huomioon maksimi vyöryenergia, käämin ohjausvaiheissa voidaan jättää pois ylimääräiset vapaa- ja lukkodiodit ja käyttää pelkästään näiden MOSFET-transistorien vyörypurkaustoimintaa.

Sähköterminen simulointi verkossa

Yksinkertaiseen R_DS ja Q_GD -tulon kaltaiseen tehokkuuslukuun (FOM) luottaminen ei riitä järjestelmän hyötysuhteen parantamiseksi. Sen sijaan suunnittelijoiden on tehtävä tarkempi häviöanalyysi, jossa otetaan huomioon seuraavista syistä aiheutuvat MOSFET-transistorin häviöt:

• Päällekytkennän johtavuus.
• Päällekytkennän ja poiskytkennän häviöt.
• Lähtökapasitanssin varautuminen ja purkautuminen.
• Runkodiodin johtavuus ja kytkentähäviöt.
• Hilakapasitanssin varautuminen ja purkautuminen.

Jotta kokonaishäviöt voitaisiin minimoida, suunnittelijoiden on ymmärrettävä MOSFET-parametrien ja käyttöympäristön välinen suhde. Tätä tarkoitusta varten Nexperia tarjoaa MOSFET-transistoreille tarkat sähkötermiset mallit, joissa yhdistyvät sähköinen ja terminen suorituskyky ja joissa kaikki tärkeät MOSFET-transistoreiden toimintatavat ovat edustettuina. Kehittäjät voivat käyttää PartQuest Explore -verkkosimulaattoria tai tuoda mallit haluamalleen simulointialustalle SPICE- ja VHDL-AMS-muodoissa.

Kirjoitushetkellä LFPAK56D-MOSFET-transistoreille on saatavana ainoastaan sähköinen mallinnus. Tämän vuoksi seuraavassa termisen simuloinnin esimerkissä käsitellään erityyppistä MOSFET-transistoria, BUK7S1R0-40H.

Interaktiivisessa kokeessa IAN50012 Electrothermal models for Power MOSFET (sähkötermiset teho-MOSFET-mallit) simuloidaan BUK7S1R0-40H MOSFET -transistorin kolmea lämpenemisskenaariota 36,25 A:n kuormitusvirran päällekytkemisen jälkeen. Kuvassa 5 esitetään kolme simulointimallia vasemmalla.

Kuva 5: Kuvassa esitetään MOSFET-transistorin sähkötermistä simulointia PartQuest Explore -verkkosimulaattorin avulla. (Kuvan lähde: Nexperia)

Ylimmässä "t_j_no_self_heating" (ei itselämpenemistä) -tapauksessa liitos ja asennusalusta on kytketty suoraan ympäristön lämpötilaan (T_amb) 0 °C ilman lämpöresistanssia (R_th). Keskimmäisessä tapauksessa "t_j_self_heating" (itselämpeneminen) siru on kytketty R_th-j-resistanssin kautta ja T_j kasvaa noin 0,4 °C:llä. Alimmassa tapauksessa asennusalusta (mb) on liitetty ympäristön lämpötilaan kuusikerroksisen jäähdytyselementillä varustetun FR4-levyn _{R-th_mb} kautta. T_mb (vihreä) nousee lämpötilaan 3,9 °C ja T_j (punainen) nousee arvoon 4,3 °C.

Yhteenveto

Erittäin pienihäviöiset LFPAK56D-MOSFET-transistorit tarjoavat erinomaisen hyötysuhteen ja tehotiheyden nopeasti kytkevissä muuntajissa ja moottorinohjaimissa. Tässä käsitellyt piirilevyn piirikaavion ja termisen käyttäytymisen suunnittelunäkökohdat sekä sähköterminen simulointi havainnollistavat, miten suunnittelijat voivat käyttää niitä toteuttaakseen kestäviä laitteita, joilla on korkea hyötysuhde ja jotka vievät vain vähän tilaa.