Proiectanții de surse de alimentare pentru aplicații precum convertoare DC/DC, controlul motoarelor, comutarea sarcinilor, centrele de date și echipamentele de comunicații se confruntă permanent cu provocarea reducerii amprentei proiectelor, pentru a obține o densitate de putere mai mare. Totuși, o densitate de putere mai ridicată necesită dispozitive cu disipare minimă a căldurii, pentru a menține temperatura de funcționare în limite acceptabile și pentru a asigura fiabilitatea sistemului. Atingerea acestui obiectiv necesită dispozitive active de comutare care nu doar să fie mai mici, ci și să aibă pierderi mai reduse, permițând funcționarea la eficiențe mai ridicate.
Atunci când selectează dispozitive de comutare adecvate, proiectanții trebuie să analizeze cu atenție caracteristici precum dimensiunea, rezistența în stare de conducție, tensiunea de străpungere, viteza de comutare și sarcina de recuperare inversă.
Acest articol oferă o scurtă prezentare generală a cerințelor de proiectare pentru sursele de alimentare utilizate în aplicații relevante. Apoi, prezintă o tehnologie avansată de procesare a MOSFET-urilor de la Toshiba și arată cum pot fi utilizate dispozitivele bazate pe această tehnologie pentru a îndeplini aceste cerințe.
Cum evoluează cerințele de proiectare pentru sursele de alimentare
Figura 1: Sursa SMPS prezentată utilizează MOSFET-uri de joasă tensiune ca redresoare sincrone în circuitul secundar; MOSFET-urile de înaltă tensiune formează etajul de comutare în punte completă din partea primară. (Sursa imaginii: Toshiba Semiconductor and Storage)
Dispozitivele electronice devin din ce în ce mai mici într-o gamă largă de aplicații, inclusiv comunicații, automobile, Internetul lucrurilor (IoT), Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) și dispozitive purtabile. Proiectanții acestor sisteme au nevoie de surse de alimentare în comutație (SMPS) mai compacte și cu densitate de putere mai mare. Obținerea unei densități de putere mai ridicate necesită componente mai mici și mai eficiente, care permit menținerea unei temperaturi interne de funcționare mai scăzute și asigură o fiabilitate ridicată a proiectului.
Cele mai uzuale componente active dintr-o sursă SMPS sunt comutatoarele MOSFET, care se regăsesc atât în partea primară, de înaltă tensiune, cât și în circuitele secundare de joasă tensiune (Figura 1).
Partea primară a sursei SMPS funcționează, de obicei, la tensiune înaltă. De exemplu, în sursele alimentate de la rețeaua electrică, MOSFET-urile primare comută tensiunea de linie redresată. Partea secundară funcționează, în general, la o tensiune mai mică; acesta este domeniul de aplicare prevăzut pentru MOSFET-urile de joasă tensiune.
Eficiență ridicată și pierderi reduse
Figura 2: Ciclul de funcționare al unui comutator MOSFET (stânga) include intervalele ON, OFF și de tranziție (dreapta), fiecare având asociată o sursă specifică de pierdere de putere. (Sursa imaginii: Toshiba Semiconductor and Storage)
Eficiența ridicată a unei surse de alimentare se obține prin minimizarea pierderilor de putere. Pierderile asociate dispozitivelor semiconductoare active includ pierderile de conducție, pierderile de comutare și pierderile asociate diodei interne (body diode). Aceste pierderi apar în momente diferite ale ciclului de funcționare al dispozitivului (Figura 2).
MOSFET-urile dintr-o sursă de alimentare în comutație (SMPS) funcționează în una dintre cele două stări: ON sau OFF. Starea dispozitivului se schimbă în funcție de tensiunea poartă-sursă (VGS). Când dispozitivul este pornit, tensiunea drenă-sursă (VDS) se află la un nivel scăzut. În starea ON, curentul drenă-sursă (IDS) care trece prin dispozitiv este determinat de impedanța sarcinii și de rezistența drenă-sursă în starea ON (RDS(ON)).
În cazul unei sarcini inductive, curentul crește liniar pe măsură ce se acumulează energie în câmpul magnetic al inductorului. În timpul intervalului ON, curentul care trece prin rezistența canalului generează pierderi de conducție proporționale cu pătratul curentului IDS și cu valoarea RDS(ON). Când dispozitivul este oprit, VDS este ridicată, iar IDS reprezintă curentul de scurgere al dispozitivului, care determină pierderile de conducție în starea OFF.
În timpul tranzițiilor între stări, atât tensiunea, cât și curentul sunt simultan diferite de zero, iar puterea este disipată în dispozitiv proporțional cu tensiunea, curentul și frecvența de comutare. Acestea sunt pierderile de comutare.
Pierderile asociate diodei interne
Pierderile de recuperare sunt cauzate de recuperarea inversă a diodei interne a MOSFET-ului atunci când dispozitivul comută din starea ON în starea OFF. Sarcina reziduală din joncțiunea PN trebuie eliminată în acest interval, ceea ce duce la un vârf de curent de recuperare inversă și la pierderea de putere asociată. Pierderea este proporțională cu sarcina de recuperare inversă a dispozitivului (Qrr), care influențează timpul de recuperare inversă.
Pierderea totală de putere a dispozitivului este suma tuturor acestor componente.
Figura 3: Structura MOSFET de tip trench are un flux vertical de curent, ceea ce permite reducerea amprentei dispozitivului. (Sursa imaginii: Toshiba Semiconductor and Storage)
Cum permite structura de tip trench realizarea unor dispozitive mai compacte
Structura fizică a unui MOSFET influențează dimensiunea și geometria dispozitivului. Structura MOSFET de tip trench (Figura 3) este una dintre cele mai compacte construcții, oferind o densitate mare a canalului și reducând, în același timp, valoarea RDS(ON).
MOSFET-urile planare convenționale utilizează un flux orizontal de curent, în timp ce procesul trench-gate formează un canal vertical al porții, cu profil în formă de U. Acest flux vertical reduce amprenta dispozitivului, permițând obținerea unui număr mai mare de dispozitive pe fiecare plachetă semiconductoare. Structura reduce, de asemenea, valoarea RDS(ON). În plus, densitatea mai mare de integrare permite conectarea în paralel a mai multor dispozitive, reducând și mai mult rezistența în starea ON. Dimensiunea mai mică reduce, de asemenea, capacitanța între electrozi, permițând o comutare mai rapidă și funcționarea la frecvențe mai ridicate.
Parametri care influențează pierderile de comutare
Pierderile de comutare depind, de asemenea, de durata regiunii de tranziție. Această durată este determinată de capacitanțele parazite ale dispozitivului, care necesită un transfer de sarcină înainte ca starea MOSFET-ului să poată fi modificată. Sarcina totală a porții (Qg) reprezintă cantitatea de sarcină necesară pentru aducerea potențialului porții la tensiunea nominală. Reducerea pierderilor de comutare necesită scurtarea timpului de comutare prin scăderea valorii Qg.
Produsul dintre RDS(ON) și Qg este un indicator de performanță utilizat frecvent pentru un MOSFET, deoarece reflectă eficiența dispozitivului prin corelarea pierderilor de conducție, proporționale cu RDS(ON), cu pierderile de comutare, influențate de Qg. O performanță mai bună este indicată de o valoare mai mică a produsului RDS(ON) × Qg.
Deoarece pierderile de comutare includ și pierderile asociate recuperării inverse a diodei interne, produsul dintre RDS(ON) și Qrr contribuie la înțelegerea impactului individual al pierderilor de conducție și al pierderilor de comutare. Deși produsul dintre RDS(ON) și Qrr nu este un indicator de performanță utilizat în mod obișnuit, acesta oferă o perspectivă suplimentară asupra pierderii totale de putere a unui MOSFET.
MOSFET-urile U-MOS 11-H de la Toshiba
Tehnologia U-MOS11-H de la Toshiba, bazată pe o structură trench îmbunătățită, permite obținerea unor MOSFET-uri cu RDS(ON) mai mic, pentru pierderi de conducție reduse și cu performanțe de comutare mai bune datorită valorilor mai mici ale Qg și Qrr. Aceste caracteristici le fac potrivite pentru aplicații de joasă tensiune și eficiență ridicată, precum surse de alimentare în comutație, acționări de motoare și surse de alimentare pentru servere.
MOSFET-ul Toshiba TPH2R70AR5-LQ are o tensiune nominală de 100 V și ilustrează îmbunătățirile aduse de tehnologia U-MOS 11-H. Comparativ cu un dispozitiv echivalent realizat într-o tehnologie anterioară, TPH2R70AR5-LQ oferă o valoare RDS(ON) cu aproximativ 8% mai mică și o valoare Qg cu 37% mai mică. Valoarea de merit RDS(ON) × Qg rezultată este cu 42% mai mică.
Pierderile de recuperare inversă sunt minimizate prin utilizarea tehnologiei de control al duratei de viață, care introduce în semiconductor defecte induse de fasciculul de ioni, pentru a crește viteza de comutare și pentru a reduce Qrr. Valoarea Qrr este îmbunătățită cu 38%, iar produsul RDS(ON) × Qrr rezultat este redus cu 43%. Aceste valori de performanță mai mici indică pierderi de putere mai reduse, eficiență mai mare și densitate de putere mai ridicată.
Caracteristicile MOSFET-ului TPH2R70AR5-LQ
TPH2R70AR5-LQ poate suporta o tensiune drenă-sursă maximă de 100 V și curenți de drenă de până la 22 A la temperatura ambiantă, respectiv de până la 190 A cu răcire, pentru o temperatură a capsulei de +25 °C.
RDS(ON) este de 2,7 mΩ, în cel mai defavorabil caz, pentru un curent de drenă de 50 A și o tensiune de comandă a porții de 10 V; RDS(ON) este de 3,6 mΩ, în cel mai defavorabil caz, pentru o tensiune de comandă a porții de 8 V. Qg are o valoare tipică de 52 nC la o tensiune de comandă a porții de 10 V, iar Qrr are o valoare tipică de 55 nC.
Figura 4: Vedere a capsulei SOP Advance(N) (stânga) și conexiunile circuitului intern pentru TPH2R70AR5-LQ (dreapta). (Sursa imaginii: Toshiba Semiconductor and Storage)
TPH2R70AR5-LQ este disponibil într-o capsulă SOP Advance(N) cu montare pe suprafață, de 5,15 mm × 6,1 mm × 1 mm (Figura 4), oferind o compatibilitate excelentă cu procesele de montare standard din industrie.
Dimensiunea capsulei este adaptată la valoarea nominală maximă de 100 V a tensiunii drenă-sursă VDS a MOSFET-ului. Dispozitivele cu tensiuni nominale mai mici pot utiliza capsule de dimensiuni mai reduse, datorită cerințelor mai mici privind distanțele de izolație.
Suportul oferit de Toshiba pentru acest produs include un model SPICE rapid, de grad G0, care ajută proiectanții să verifice rapid funcționarea circuitului. De asemenea, este disponibil un model SPICE mai precis, de grad G2, care include analiza tranzitorie.
Concluzie
MOSFET-ul de joasă tensiune TPH2R70AR5-LQ de la Toshiba este proiectat special pentru utilizarea în partea secundară a unei surse de alimentare în comutație (SMPS). Acesta utilizează o structură celulară inovatoare, care reduce pierderile și îmbunătățește performanțele de comutare ale tranzistorului, permițând dezvoltarea unor dispozitive compacte, cu densitate de putere ridicată și fiabilitate crescută, pentru aplicații moderne.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.
Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.
Glosar de termeni
Termeni MOSFET și parametri electrici
MOSFET – Tranzistor cu efect de câmp utilizat frecvent ca dispozitiv de comutare în surse de alimentare, convertoare DC/DC, acționări de motoare și alte aplicații de putere.
RDS(ON) – Rezistența drenă-sursă în starea ON a MOSFET-ului. O valoare mai mică reduce pierderile de conducție și contribuie la o eficiență mai mare.
Qg – Sarcina totală a porții. Reprezintă cantitatea de sarcină necesară pentru comanda porții MOSFET-ului. O valoare mai mică permite comutare mai rapidă și pierderi mai reduse.
Qrr – Sarcina de recuperare inversă a diodei interne. O valoare mai mică reduce pierderile asociate recuperării inverse și îmbunătățește eficiența.
VDS – Tensiunea drenă-sursă a MOSFET-ului. Indică tensiunea maximă pe care dispozitivul o poate suporta între drenă și sursă.
Structură și tehnologie
Structură trench – Structură MOSFET în care canalul este format vertical într-un șanț, permițând o amprentă mai mică, densitate mai mare a canalului și rezistență RDS(ON) redusă.
U-MOS 11-H – Tehnologie Toshiba bazată pe o structură trench îmbunătățită, dezvoltată pentru MOSFET-uri de joasă tensiune cu pierderi reduse și performanțe de comutare mai bune.
Diodă internă (body diode) – Diodă intrinsecă prezentă în structura MOSFET-ului, importantă în analiza pierderilor de recuperare inversă.
Plachetă semiconductoare – Suport realizat din material semiconductor, pe care sunt fabricate dispozitivele semiconductoare înainte de separarea lor în cipuri individuale.
Aplicații și proiectare
SMPS – Sursă de alimentare în comutație. Utilizează dispozitive active de comutare pentru conversia eficientă a energiei electrice.
Pierderi de conducție – Pierderi de putere care apar atunci când MOSFET-ul este în starea ON și curentul trece prin rezistența canalului.
Pierderi de comutare – Pierderi de putere care apar în timpul tranzițiilor dintre stările ON și OFF ale MOSFET-ului.
Analiză tranzitorie – Simulare a comportamentului unui circuit în timp, utilă pentru verificarea răspunsului la comutări, variații de sarcină sau alte schimbări rapide.