A SuperJunction teljesítmény-MOSFET-ek értékelése a teljesítmény és a hatásfok szempontjából

A SuperJunction („szuper p–n-átmenetű”) teljesítmény-MOSFET-ek olyan régóta uralják a nagyfeszültségű kapcsolóüzemű eszközök világát, hogy csábító azt gondolni: biztosan vannak már jobb alternatívák. Az a képességük azonban, hogy még mindig képesek megteremteni a teljesítmény, a hatásfok és a költségtakarékosság közötti egyensúlyt, nélkülözhetetlenné teszi őket számos új elektronikus berendezés nagy teljesítményű részeinek optimalizálásában.

A kereskedelmi forgalomban a századforduló óta kapható szilíciumalapú SuperJunction MOSFET-eket úgy hozták létre, hogy p és n típusú félvezetőanyag-rétegeket egymásra helyezve alakítottak ki p–n-átmeneteket, ami a hagyományos síkbeli (idegen szóval planáris) MOSFET-ekhez képest kisebb nyitóirányú ellenállást (R_DS(ON)) és kisebb kaputöltést (Q_g) eredményezett. Ezeket az előnyöket egy számítással számszerűsítve egy jóságmutató számot (FOM, figure of merit) kapunk, ahol FOM = R_DS(ON) × Q_g.

A jóságmutató szám azt mutatja meg, hogy mekkora a MOSFET ellenállása nyitott állapotban, és hogy mennyi töltés szükséges a MOSFET nyitásához és a zárásához.

A Q_g kaputöltésérték hasznos a kapcsolási teljesítmény összehasonlítására, de néha túl nagy jelentőséget tulajdonítanak neki. A korszerű kapuvezérlők megfelelnek a kaputöltésre vonatkozó legtöbb követelménynek, így a még nagyobb optimalizálásra törekvő tervezők azt kockáztatják, hogy más kritikus paraméterek javításának rovására növelik a költségeiket.

A SuperJunction MOSFET-ekben a töltésegyensúly kialakítása vékonyabb és erősebb szennyezésű (más szóval adalékolású) területek létrehozását teszi lehetővé. Az áramátalakításbeli hatásfokuk abból ered, hogy ezek a MOSFET-ek gyorsabban nyitnak és zárnak, csökkentve ezzel a kapcsolási veszteségeket. A hűtési problémák is egyszerűsödnek, mert a jobb hatásfok miatt kevesebb hőt termelnek működés közben.

Az, hogy mikor és hogyan kell őket használni, természetesen függ a felhasználási terület egyedi követelményeitől is. Népszerűek az olyan felhasználási területeken, ahol jó hatásfokú nagyfeszültségű kapcsolásra és kis méretre van szükség. Ilyenek például a hálózati tápegységek és az egyenirányítós áramátalakítók, a frekvenciaváltós motorvezérlések, a napelemes rendszerekhez való inverterek és sok egyéb.

Ne hagyja figyelmen kívül a Q_rr-értékeket!

Egy másik tényező, amelyet figyelembe kell venni a SuperJunction MOSFET-ek adott berendezéshez való kiválasztásakor, a záróirányú töltésmennyiség (Q_rr) – ez a p–n-átmenetben felhalmozódó töltésmennyiség, amikor a kapcsolási ciklus alatt áram folyik át a MOSFET belső testdiódáján. Ha nagy a záróirányú töltésmennyiség, az feszültséglökésekhez és további veszteségekhez vezethet, ezért a hatásfok javítása és a kapcsolási veszteségek minimálisra csökkentése érdekében fontos, hogy a záróirányú töltésmennyiség minél kisebb legyen.

A nagy Q_rr záróirányú töltésmennyiség miatt fellépő feszültséglökések elektromágneses zavarást (EMI) is okozhatnak, ami negatívan hat az érzékeny alkatrészekre és a jelépségre.

A Q_rr záróirányú töltésmennyiség csökkentése előnyös a teljesítmény növeléséhez, különösen a nagyfrekvenciás készülékekben, ahol ezek a hatások felerősödnek, valamint előnyös még az optimális működés megteremtése és az elektromágneses zavarásra vonatkozó előírásoknak való megfelelés biztosítása érdekében is. A terméktervezés szempontjából a kisebb töltésmennyiség a következő előnyökkel járhat:

• kisebb kapcsolási veszteségek, mivel az energiaveszteség minimálisra csökken
• jobb hatásfok a jobb energiafelhasználás miatt
• jobb hűtési teljesítmény, mert kisebb a hőtermelés a kapcsolás során
• kisebb elektromágneses zavarás a kisebb feszültséglökések és lengések következtében
• hosszabb távú megbízhatóság a kapcsolási ciklusok során fellépő kisebb igénybevételnek köszönhetően

Általában minél nagyobb a készülék frekvenciája, annál lényegesebb a minél kisebb Q_rr záróirányú töltésmennyiség. Fontos annak meghatározása is, hogy ez a tényező hogyan járul hozzá a készülék hőtermeléséhez és az ebből következő hűtési követelményekhez.

Miután döntöttek egy vagy több alkalmasnak tűnő MOSFET mellett, a tervezők szimulációs eszközökkel modellezhetik a MOSFET-et, valamint azt, hogy a Q_rr záróirányú töltésmennyiségnek milyen hatása lesz az adott készülékben, és hogyan befolyásolja annak teljesítményét. A kísérleti vizsgálatok során az egyes MOSFET-eken oszcilloszkóppal és áramszondával lehet a kapcsolási események paramétereire vonatkozó méréseket végezni.

Ezeknek az értékeknek az adott készülék követelményeihez illesztése attól függ, hogy megtaláljuk-e a megfelelő egyensúlyt a hatásfok és más paraméterek, például a hűtési teljesítmény, a transzkonduktancia, a küszöbfeszültség és a belső dióda nyitófeszültsége között.

A megfelelő teljesítmény-MOSFET kiválasztása

A Nexperia termékválasztékában két SuperJunction teljesítmény-MOSFET termékcsalád szerepel. Ezek célja, hogy több lehetőséget kínáljanak a terméktervezők számára a kapcsolási teljesítmények megfelelő kombinációinak a különböző készülékek követelményeihez illesztéséhez.

A vállalat 80 V-os és 100 V-os NextPower MOSFET-jei olyan tervezők számára készültek, akiknek jó hatásfokú kapcsolásra van szükségük, és nagy megbízhatóságú készülékeket, például tápegységeket, illetve ipari és távközlési berendezéseket terveznek. Az eszközök Q_rr záróirányú töltésmennyisége kevesebb mint 50 nC (nanocoulomb), kisebb a záróirányú áramuk (I_rr), kisebbek a feszültséglökés-csúcsaik (V_peak), és kisebbek a lengési értékeik is.

Az LFPAK56, LFPAK56E és LFPAK88 rézsarus tokozásban kapható eszközök helytakarékos rugalmasságot kínálnak a hűtési teljesítmény és a megbízhatóság veszélyeztetése nélkül. Az LFPAK56/LFPAK56E tokozás 5 mm × 6 mm méretű, azaz 30 mm² alapterületű, ami a 163 mm² alapterületű D²PAK tokozáshoz képest 81%-os, a 70 mm² alapterületű DPAK tokozáshoz képest pedig 57%-os helymegtakarítást jelent (1. ábra).

1. ábra: Az LFPAK56 tokozás (jobbra) összehasonlítása a D²PAK (balra) és a DPAK tokozással (kép: Nexperia)

Az LFPAK56E (2. ábra) az LFPAK56 továbbfejlesztett változata, amelynek kisebb az ellenállása, miközben ugyanolyan kicsi az alapterülete, ami jobb hatásfokot eredményez. Egy példa erre a továbbfejlesztett tokozásra a PSMN3R9-100YSFX, egy 100 V-os, 4,3 mΩ nyitóirányú ellenállású, n csatornás MOSFET 120 A folyamatos áramerősséggel. A +175 °C-ig minősített eszköz ipari és fogyasztói készülékekhez ajánlott, ilyen például az egyenirányítós és egyenáram-átalakítós feszültségszabályozók szinkron egyenirányítója, a 48 V-os egyenáram-átalakítós feszültségszabályozók primer oldali kapcsolója, a szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC, brushless direct current) motorok vezérlése, az áramellátást is nyújtó (USB-PD) USB-adapterek, a teljes hidas és félhidas eszközök, valamint a visszafutásos áramátalakítók és a rezonáns kapcsolások.

2. ábra: A PSMN3R9-100YSFX és más NextPower 80/100 V-os SuperJunction teljesítmény-MOSFET-ek LFPAQK56E tokozása (kép: Nexperia)

A NextPower PSMN2R0-100SSFJ egy 100 V-os, 2,07 mΩ nyitóirányú ellenállású, 267 A-es, n csatornás MOSFET, amely 8 mm × 8 mm alapterületű LFPAK88 tokozásban kerül forgalomba. Ez szintén +175 °C-ig van minősítve, és szintén ipari és fogyasztói készülékekhez ajánlott, ilyen például az egyenirányítós és egyenáram-átalakítós feszültségszabályozók szinkron egyenirányítója, a feszültségszabályozók primer oldali kapcsolója, a szénkefe nélküli egyenáramú (BLDC) motorok vezérlése, a teljes hidas és félhidas eszközök, valamint az akkumulátorvédelem.

A nagy teljesítményt és megbízhatóságot előtérbe helyező tervezők számára a NextPowerS3 MOSFET-ek 25 V-os, 30 V-os és 40 V-os változatban kaphatóak Schottky-Plus belső testdiódával, amelynek kicsi az R_DS(ON) nyitóirányú ellenállása, és bizonyítottan akár 380 A folyamatos áramerősség kezelésére is képes. A PSMN5R4-25YLDX például egy NextPowerS3 n csatornás, 25 V-os, 5,69 mΩ nyitóirányú ellenállású, logikai szintű MOSFET, szabványos LFPAK56 tokozásban.

A Nexperia Schottky-Plus technikája biztosítja a jó hatásfokot és a kis teljesítményű feszültséglökéseket, amit általában a beépített Schottky- vagy Schottky-szerű diódával ellátott MOSFET-ekkel szoktak elérni, de a problémát jelentő nagy visszáram nélkül, +25 °C-on < 1 μA visszárammal.

A NextPowerS3 eszközök számos felhasználási területre ajánlottak, ilyenek többek közt a kiszolgálók (idegen eredetű szóval szerverek) és a távközlési eszközök belső egyenáram-átalakítós megoldásai, a feszültségszabályozó modulok (VRM, voltage regulator module), a terhelésponti (POL, point-of-load) modulok, a virtuális processzormagok (V-mag, vCore), az ASIC, a DDR, a GPU és a VGA eszközök és a rendszerelemek áramellátása, valamint a szénkefés és szénkefe nélküli villanymotorok vezérlése.

A NextPowerS3 eszközök 3,3 mm × 3,3 mm-es LFPAK33 méretben is kaphatóak (3. ábra), beleértve a 30 V-os PSMN1R8-30MLHX jelű eszközt, amely olyan felhasználási területekre alkalmas, mint a szinkron feszültségcsökkentő feszültségszabályozók, az egyenirányítós és egyenáram-átalakítós eszközök szinkron egyenirányítója, a szénkefe nélküli (BLDC) villanymotorok vezérlése, valamint az eFuse elektronikus biztosítékok és az akkumulátorvédelem.

3. ábra: A NextPowerS3 LKPAK33 (jobbra) és a DPAK tokozás összehasonlítása (kép: Nexperia)

Összegzés

A szilíciumalapú SuperJunction teljesítmény-MOSFET-ek nélkülözhetetlenek a teljesítmény, a hatásfok és a költségtakarékosság közötti egyensúly eléréséhez, amelyre számos új teljesítményelektronikai berendezésben szükség van. A Nexperia NextPowerS3 és a NextPower 80/100 V-os MOSFET-ek választéka számos olyan jellemzőt kínál a terméktervezőknek, amelyek megfelelnek ezeknek az igényeknek, és a nagyobb teljesítménysűrűség és megbízhatóság érdekében kis méretű és a hűtés szempontjából kedvezőbb LFPAK tokozásokban kaphatóak.