I MOSFET Trench-gate di prossima generazione di Toshiba aumentano l'efficienza e la densità di potenza

Le prestazioni reali e le specifiche della scheda tecnica non vanno sempre d'accordo quando si sceglie un MOSFET per alimentare applicazioni con maggiore efficienza, dal design più compatto e con caratteristiche di commutazione affidabili. Un MOSFET può sembrare conforme ai calcoli del progetto, ma una volta completato le sue prestazioni risultano inferiori a causa di fattori quali perdite di commutazione, comportamento di recupero del diodo e vincoli termici.

Scegliere il MOSFET giusto può fare la differenza tra un prodotto che funziona in modo efficiente e senza surriscaldarsi e uno che si surriscalda o spreca energia. Tra i parametri importanti che incidono sulla buona riuscita delle applicazioni rientrano:

• La resistenza nello stato On (R_DS(on)) si riferisce alla resistenza che il MOSFET presenta quando è completamente acceso. Una R_DS(on) inferiore significa che spreca meno energia sotto forma di calore, il che ha un impatto diretto sull'efficienza con cui il dispositivo può condurre corrente.
• La carica totale del gate (Q_g) definisce quanta carica elettrica è necessaria per accendere e spegnere il MOSFET. Una Q_g inferiore assicura una commutazione più rapida e più efficiente, riducendo il carico sul circuito di pilotaggio del gate.
• La carica di recupero inverso (Q_rr) tiene conto della quantità di carica rilasciata quando il diodo interno del MOSFET passa da uno stato di conduzione a uno di non conduzione. Un Q_rr inferiore aiuta a sopprimere i picchi di tensione durante la commutazione ad alta velocità, garantendo un funzionamento più silenzioso e affidabile.
• Il recupero del body diode determina l'efficienza con cui il diodo integrato nel MOSFET può interrompere la conduzione e ripristinarsi per il ciclo successivo. Il recupero rapido e pulito riduce il rumore elettrico e il calore.

I requisiti di efficienza stanno aumentando a un ritmo che supera le capacità di molti stadi di potenza esistenti. Una maggiore efficienza e una maggiore densità di potenza in applicazioni quali alimentatori a commutazione (SMPS), automazione industriale, infrastrutture per data center ed elettronica automotive stanno mettendo a dura prova i limiti delle tecnologie MOSFET convenzionali.

Vantaggi dei MOSFET Trench-gate

I MOSFET U-MOS11-H di Toshiba affrontano le sfide volte a fornire valori di R_DS(on) significativamente più bassi, carica del gate ridotta al minimo e caratteristiche di recupero del diodo migliorate con un design Trench-gate.

Per decenni, i MOSFET hanno avuto un layout orizzontale e, per migliorare le prestazioni, in genere era necessario selezionare un componente più grande. I MOSFET Trench-gate utilizzano una "trincea" verticale anziché una superficie piana nel silicio per formare l'elettrodo di gate. Con questa tecnologia, la corrente scorre verticalmente attraverso il silicio anziché lateralmente. Il gate circonda il canale in modo più efficace, riducendo la quantità di silicio necessaria per trasportare corrente e abbassando la R_DS(on) per una data dimensione del die.

I MOSFET Trench-gate riducono sostanzialmente la Q_rr per sopprimere i picchi di tensione elevati che possono verificarsi durante la commutazione ad alta velocità, rendendoli ideali per alimentatori ad alta efficienza, convertitori c.c./c.c. e stadi di potenza automotive o industriali.

Il nuovo MOSFET U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ (Figura 1) è un MOSFET a canale N con tensione nominale di 100 V e una R_DS(on) ultrabassa di soli 2,7 mΩ (10 V_GS). Si tratta di una R_DS(on) inferiore dell'8% circa rispetto alla famiglia U-MOSX-H della generazione precedente, con conseguente riduzione del calore e maggiore efficienza di conduzione sotto alti carichi.

Figura 1: TPH2R70AR5,LQ di Toshiba è un MOSFET Trench-gate di prossima generazione con una RDS(on) inferiore, una carica del gate ridotta al minimo e caratteristiche di recupero del diodo migliorate. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

La Q_rr della nuova generazione è inferiore del 38% circa rispetto ai dispositivi comparabili della generazione precedente, riducendo i picchi di tensione e le interferenze elettromagnetiche (EMI) durante la commutazione. La carica totale del gate diminuisce del 37% circa, consentendo una commutazione più rapida e pulita con un minore consumo di energia da parte del gate driver.

Inoltre, questo MOSFET migliora altri parametri chiave importanti per progetti di potenza efficienti. R_DS(on) × Q_g combina la resistenza nello stato On e la carica del gate per mostrare il compromesso complessivo tra perdite di conduzione e di commutazione. R_DS(on) × Q_rr fa lo stesso per il body diode del MOSFET, riflettendo le sollecitazioni, il calore e il picco di tensione che si verificano durante il ripristino del diodo. In entrambi i casi, U-MOS11-H risulta del 40% migliore rispetto alla generazione precedente, offrendo agli ingegneri un maggiore margine termico e un funzionamento più pulito senza aumentare l'ingombro del contenitore.

Progetti più piccoli e leggeri

Con l'aumento della domanda di convertitori c.c./c.c. e SMPS compatti ed efficienti in applicazioni quali server e infrastrutture 5G, i MOSFET come U-MOS-11-H sono essenziali per progetti più piccoli e leggeri con elevata densità di potenza. Le minori perdite di conduzione e di commutazione migliorano l'efficienza energetica, riducono i requisiti di raffreddamento e possono abbassare i costi complessivi del sistema e la complessità di progettazione.

U-MOS-11H è un componente MOSFET affidabile e ben documentato per progetti di potenza standard, che offre facilità d'uso senza gate driver complicati o requisiti speciali. Realizza un equilibrio efficace tra efficienza, affidabilità e semplicità di implementazione.

Per le applicazioni avanzate, questi MOSFET di Toshiba consentono di superare i limiti della densità di potenza e dell'efficienza termica, supportando progetti quali SMPS compatti, alimentatori per server o workstation ad alta densità e sistemi efficienti alimentati da batteria o motore, il tutto all'interno di una categoria di MOSFET al silicio ben consolidata.

Da una prospettiva strategica, U-MOS11-H combina i comprovati punti di forza della tecnologia MOSFET al silicio con i più recenti miglioramenti in termini di efficienza e commutazione per offrire agli ingegneri una soluzione ad alte prestazioni, diventando una scelta interessante insieme alle soluzioni di potenza più avanzate.

Conclusione

Sfruttando i vantaggi maturi e convenienti dei MOSFET al silicio, quali affidabilità, ampia disponibilità e prestazioni prevedibili con i più recenti miglioramenti delle prestazioni, i MOSFET U-MOS11-H di Toshiba consentono ai progettisti di creare componenti elettronici di potenza più piccoli, più efficienti e più affidabili per le applicazioni più esigenti di oggi.