Disamina dei MOSFET di potenza a supergiunzione nell'ottica delle prestazioni e dell'efficienza

I MOSFET di potenza a supergiunzione hanno dominato le applicazioni di commutazione ad alta tensione per così tanto tempo che si è tentati di pensare che a questo punto esistano alternative migliori. Tuttavia, la loro capacità di continuare a garantire un equilibrio tra prestazioni, efficienza e rapporto costi/benefici li rende indispensabili per ottimizzare i progetti di potenza elettronica per molte nuove applicazioni.

Disponibili in commercio dall'inizio del secolo, i MOSFET a supergiunzione basati sul silicio sono stati creati impilando strati alternati di tipo P e tipo N di materiale semiconduttore per creare giunzioni PN che hanno portato a una riduzione della resistenza nello stato On (RDSon) e della carica del gate (Q_g), rispetto ai MOSFET planari tradizionali. Questi vantaggi sono stati quantificati in un calcolo della cifra di merito (FOM), dove FOM = RDSon x Q_g.

La FOM quantifica la resistenza del MOSFET quando è acceso e la quantità di carica necessaria per l'accensione e lo spegnimento.

Q_g fornisce un pratico confronto delle prestazioni di commutazione, ma a volte questo aspetto può essere enfatizzato eccessivamente. I moderni gate driver soddisfano la maggior parte dei requisiti di carica del gate, quindi i progettisti alla ricerca di un'ottimizzazione ancora maggiore rischiano di aumentare i costi a scapito del miglioramento di altri parametri critici.

Il progetto di bilanciamento della carica nei MOSFET a supergiunzione consente di ottenere regioni più sottili e più drogate. La loro efficienza nella conversione di potenza deriva dalla capacità di accendere e spegnere il MOSFET più rapidamente, riducendo le perdite di commutazione. Anche i problemi di gestione termica risultano semplificati, poiché la maggiore efficienza genera meno calore durante il funzionamento.

Quando e se utilizzarli dipende, ovviamente, dai requisiti specifici dell'applicazione. Sono molto diffusi nelle applicazioni che richiedono un'efficienza di commutazione ad alta tensione e un design compatto, come gli alimentatori e i convertitori c.a./c.c., gli azionamenti a frequenza variabile dei motori, gli inverter solari e altri.

Non trascurate i valori Q_rr

Un altro fattore da considerare nella scelta dei MOSFET a supergiunzione per un'applicazione è la carica di recupero inverso (Q_rr), ovvero la carica che si accumula nella giunzione PN quando la corrente attraversa il body diode del MOSFET durante un ciclo di commutazione. Quando è alta, può provocare picchi di tensione e perdite aggiuntive, quindi una carica di recupero più bassa è importante per migliorare l'efficienza e ridurre al minimo le perdite di commutazione.

Gli eventi transitori dovuti a Q_rr elevate possono anche generare interferenze elettromagnetiche (EMI), con un impatto negativo sui componenti sensibili e sull'integrità del segnale.

La riduzione della Q_rr è utile per migliorare le prestazioni, soprattutto nelle applicazioni ad alta frequenza dove questi effetti sono amplificati, ma anche per garantire un funzionamento ottimale e la conformità ai parametri EMI. Dal punto di vista della progettazione del prodotto, una carica inferiore può offrire i seguenti vantaggi:

• Perdite di commutazione ridotte, in quanto la dissipazione di energia è minima
• Maggiore efficienza grazie a un migliore utilizzo dell'energia
• Prestazioni termiche migliorate, con una ridotta generazione di calore durante la commutazione
• EMI attenuate grazie alla riduzione dei picchi di tensione e della sovraoscillazione
• Affidabilità a lungo termine grazie alla minore sollecitazione durante i cicli di commutazione

In generale, maggiore è la frequenza dell'applicazione, maggiore è la priorità di utilizzare una Q_rr più bassa. È inoltre importante determinare come questo fattore contribuisca alla generazione di calore nell'applicazione e ai conseguenti requisiti di raffreddamento.

Dopo aver scelto uno o più potenziali MOSFET, i progettisti possono utilizzare strumenti di simulazione per modellare il MOSFET e come si comporterà la Q_rr nell'applicazione e il suo impatto sulle prestazioni. I test sperimentali con un oscilloscopio e una sonda di corrente possono generare misurazioni di eventi di commutazione con un particolare MOSFET.

L'adattamento di questi valori alle esigenze di un'applicazione dipende dalla ricerca di un equilibrio appropriato con l'efficienza e altri parametri come le prestazioni termiche, la transconduttanza, la tensione di soglia e la tensione diretta del diodo.

Scelta del giusto MOSFET di potenza

Nexperia offre due famiglie di MOSFET di potenza a supergiunzione, con l'obiettivo di fornire ai progettisti una gamma di opzioni che consentano di trovare la giusta combinazione di prestazioni di commutazione in base ai requisiti applicativi.

I MOSFET NextPower da 80 e 100 V sono adatti ai progettisti che si concentrano sulla commutazione ad alta efficienza e su applicazioni ad alta affidabilità come gli alimentatori, la progettazione industriale e le telecomunicazioni. I dispositivi forniscono una Q_rr fino a 50 nC, con una minore corrente di recupero inverso (I_rr), minori picchi di tensione (V_peak) e caratteristiche di sovraoscillazione ridotte.

Disponibili in contenitori LFPAK56, LFPAK56E e LFPAK88 con clip in rame, i dispositivi offrono una flessibilità che consente di risparmiare spazio senza compromettere le prestazioni termiche o l'affidabilità. I contenitori LFPAK56/LFPAK56E hanno un ingombro di 5 x 6 mm, ovvero 30 mm², con un risparmio di spazio dell'81% rispetto a D²PAK (163 mm²) e del 57% rispetto a DPAK (70 mm²) (Figura 1).

Figura 1: Confronto tra il contenitore LFPAK56 (a destra) e gli ingombri D²PAK (a sinistra) e DPAK. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

LFPAK56E (Figura 2) è una versione migliorata del modello LFPAK56 e offre una resistenza inferiore a parità di ingombro compatto, con conseguente miglioramento dell'efficienza. Un esempio di questo contenitore potenziato è PSMN3R9-100YSFX, un MOSFET a canale N da 100 V, 4,3 mΩ, con una corrente nominale continua di 120 A. Qualificato fino a +175 °C, è consigliato per applicazioni industriali e consumer, tra cui un raddrizzatore sincrono in c.a./c.c. e c.c./c.c., un interruttore sul lato primario per 48 V c.c./c.c., il controllo di motori BLDC, adattatori USB-PD, applicazioni a ponte intero e semiponte, nonché topologie flyback e risonanti.

Figura 2: Il contenitore LFPAQK56E per PSMN3R9-100YSFX e altri MOSFET di potenza a supergiunzione da 80/100 V NextPower. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

NextPower PSMN2R0-100SSFJ, un MOSFET a canale N da 100 V, 2,07 mΩ, 267 A, è disponibile in un contenitore LFPAK88 con un ingombro di 8 x 8 mm. È inoltre qualificato fino a +175 °C ed è consigliato per applicazioni industriali e consumer come un raddrizzatore sincrono in c.a./c.c. e c.c./c.c., un interruttore sul lato primario, il controllo di motori BLDC, applicazioni a ponte intero e semiponte e protezione della batteria.

Per i progettisti che desiderano privilegiare prestazioni e affidabilità, i MOSFET NextPowerS3 sono disponibili nelle versioni da 25 V, 30 V e 40 V con un diodo Schottky-Plus che offre una bassa RDSon e una capacità di corrente continua fino a 380 A. PSMN5R4-25YLDX, ad esempio, è un MOSFET NextPowerS3 a canale N da 25 V, 5,69 mΩ a livello logico, in contenitore standard LFPAK56.

La tecnologia "Schottky-Plus" di Nexperia offre prestazioni ad alta efficienza e basso picco solitamente associate ai MOSFET con un diodo Schottky o simil-Schottky integrato, ma senza la problematica alta corrente di dispersione, fornendo <1 μA di dispersione a +25 °C.

I dispositivi NextPowerS3 sono consigliati per una serie di applicazioni, tra cui soluzioni c.c./c.c. su scheda per server e telco, moduli regolatori di tensione (VRM), moduli per punto di carico (PoL), erogazione di potenza per V-core, ASIC, DDR, GPU, VGA e componenti di sistema e controllo di motori con/senza spazzole.

I dispositivi NextPowerS3 sono disponibili anche in un ingombro LFPAK33 di 3,3 x 3,3 mm (Figura 3), compreso il modello PSMN1R8-30MLHX da 30 V, adatto ad applicazioni quali un regolatore buck sincrono, un raddrizzatore sincrono in applicazioni c.a./c.c. e c.c./c.c., il controllo di motori BLDC (senza spazzole), oltre a fusibili elettronici e protezione della batteria.

Figura 3: Confronto tra il contenitore NextPowerS3 LKPAK33 (a destra) e DPAK. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Conclusione

I MOSFET di potenza a supergiunzione basati sul silicio sono indispensabili per raggiungere l'equilibrio tra prestazioni, efficienza e rapporto costi/benefici necessario per molte nuove applicazioni elettroniche di potenza. La gamma di MOSFET NextPowerS3 e NextPower 80/100 V di Nexperia offre ai progettisti una serie di caratteristiche in grado di soddisfare queste esigenze ed è disponibile in contenitori LFPAK compatti e dal profilo termico ottimizzato per una maggiore densità di potenza e affidabilità.