A kapcsolóüzemű áramátalakítók teljesítménysűrűségének és teljesítményének maximálisra növelése kettős MOSFET-ekkel

Az ipari és a gépjárműiparban használt kapcsolóüzemű áramátalakítók és villanymotor-vezérlők olyan fém-oxid záróréteges térvezérelt tranzisztorokat (MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor) igényelnek, amelyek kis méretűek, jó hatásfokúak, és minimális villamos zajt keltenek. A kettős MOSFET-ek segítenek megfelelni ezeknek a követelményeknek.

Azáltal, hogy két MOSFET-et helyeznek el egyetlen tokban, a jól megtervezett kettős MOSFET-ek kevesebb helyet foglalnak el a nyomtatott áramköri (nyák-) lapon, csökkentik a parazitainduktivitást, és a kisebb hőleadásnak köszönhetően nincs szükség terjedelmes és költséges hűtőbordákra sem. Az ilyen eszközök több száz kilohertzen (kHz) is zavarás nélkül képesek kapcsolni, nagy hőmérséklet-tartományban stabilan működnek, és kicsi a visszáramuk. A tervezőknek azonban ismerniük kell a működési jellemzőiket ahhoz, hogy teljes mértékben kiaknázhassák ezen alkatrészek előnyeit.

Ez a cikk példaként bemutatja a Nexperia néhány kettős MOSFET-jét, és ismerteti, hogyan használhatják ezeket a tervezők nagy tűrőképességű és jó hatásfokú berendezések tervezéséhez ott is, ahol szűkös a hely. Tárgyalja az áramkör- és nyomtatottáramkörilap-tervezés optimalizálásának néhány módját, és tanácsokat ad az elektrotermikus szimulációhoz és a veszteségelemzéshez.

Jobb hatásfok nagy kapcsolási frekvencián

A kettős MOSFET-ek remekül használhatóak számos gépjárműipari (AEC-Q101 minősítésű) és ipari berendezésben, többek között kapcsolóüzemű egyenáram-átalakítókban, villanymotor-inverterekben és mágnestekercs-vezérlőkben. Ezekben a berendezésekben a kettős MOSFET-eket lehet használni többek között kapcsolópárokban vagy félhídkapcsolásokban.

A Nexperia LFPAK56D sorozata a kettős MOSFET-ek egy figyelemre méltó példája. Ezekben a Nexperia rézsarus technikáját használják, amely kivételes áramfelvételt, kis tokimpedanciát és nagy megbízhatóságot tesz lehetővé (1. ábra, jobbra). Ezek a tömör rézsaruk javítják a hőelvezetést a félvezető hordozóanyagról (szubsztrát) a forrasztott kötéseken keresztül a nyomtatott áramköri lapra, így a teljes elvezetett hő körülbelül 30%-át veszik le a forrás (source) lábakról. A nagy réz keresztmetszetek csökkentik az ohmos teljesítményveszteséget és a parazita vonalinduktivitás csökkentésével csillapítják a lengéseket is.

1. ábra: Az LFPAK56D tok (jobbra) két független MOSFET-et egyesít egy tokban, és az egy MOSFET-et tartalmazó LFPAK56 tokhoz (balra) hasonló rézsarus technikát használ (ábra: Nexperia)

A legtöbb nagyfeszültségű kapcsolóüzemű áramátalakítóhoz szánt alkatrészhez hasonlóan az LFPAK56D is SuperJunction („szuper pn-átmenet”) technikát használ. Ez a kialakítás csökkenti a nyelő és a forrás közti (nyelő–forrás) nyitóirányú ellenállást (R_DS(on)) és a kapu és a nyelő közötti (kapu–nyelő) töltésmennyiséget (Q_GD), minimálisra csökkentve a teljesítményveszteségeket. Az, hogy a két MOSFET ugyanazon a hordozóanyagon van elhelyezve, tovább csökkenti a nyelő–forrás-ellenállást.

SuperJunction MOSFET-ként az LFPAK56D sorozatnak nagy a tűrőképessége a lavinahatással szemben, és széles a biztonságos működési területe (SOA, safe operating area). Például a PSMN029-100HLX jelű TrenchMOS árkos MOSFET-ben található 100 V-os MOSFET-ek mindegyikének 29 mΩ az R_DS(on) nyitóirányú ellenállása, 68 W teljesítményt képesek kezelni, és akár 30 A átvitelére is alkalmasak.

Az LFPAK56D sorozat az NXP SchottkyPlus technikáját is használja a feszültség- és áramlökések és a visszáram csökkentése érdekében. Például a PSMN014-40HLDX jellemző R_DS(on) nyitóirányú ellenállása 11,4 mΩ, a nyelő–forrás visszáram pedig rendkívül kicsi, 10 nA.

A MOSFET-ek nagy áramerősségének teljes kihasználásához a nyomtatott áramkört úgy kell megtervezni, hogy elvezesse a nagy hőt, és stabil villamos csatlakozásokat tegyen lehetővé. A többrétegű nyomtatott áramköri lapok elegendő átmenő furattal és nagy méretű, vastag réz vezetőcsíkokkal segítik a jó hűtést.

A hőmegfutás elkerülése

Miközben a teljesen nyitott MOSFET-ek termikusan stabilak, ha a nyelőáram (I_D) kicsi, fennáll a hőmegfutás veszélye.Ebben az üzemállapotban a helyi melegedés csökkenti a kapu–forrás-küszöbfeszültséget (V_GS(th)), ami azt jelenti, hogy az eszköz könnyebben kinyit. Ez egy pozitív visszacsatolásos helyzetet teremt, ahol a további áram még nagyobb melegedést idéz elő, és még kisebb V_GS(th) küszöbfeszültséget hoz létre.

A 2. ábra ezt a hatást mutatja állandó nyelő–forrás-feszültség (V_DS) esetén. Ahogy a V_GS kapu–forrás-feszültség nő, van egy kritikus I_D áramerősség, amelyet nulla hőmérsékleti együtthatónak (ZTC, Zero Temperature Coefficient) neveznek. E fölött az áramerősség fölött negatív visszacsatolás és termikus stabilitás van (kék zóna), míg alatta a küszöbfeszültség-csökkenés dominál, ami termikusan instabil működési pontokat eredményez, amelyek hőmegfutáshoz vezethetnek (piros zóna).

2. ábra: A nulla hőmérsékleti együttható (ZTC pont) alatt a MOSFET a hőmérséklet következtében létrejövő V_GS kapu–forrás-feszültség csökkenése (piros terület) miatt hőmegfutásba kerülhet (ábra: Nexperia)

Ez a hatás kis áramerősségek és nagy nyelő–forrás-feszültségek esetén csökkenti a biztonságos működési területet (SOA), viszont a nagy dV/dt meredekségű gyors kapcsolási műveleteknél nem jelent számottevő problémát. A kapcsolási időtartam növekedésével azonban, amire például az elektromágneses zavarás csökkentése érdekében lehet szükség, a hőmérséklet miatti (termikus) instabilitás mind valószínűbbé és potenciálisan veszélyessé válhat.

Kisebb kapcsolási veszteségek nagy frekvenciákon

Amikor gyors kapcsolású eszközökhöz választ SuperJunction MOSFET-et, alapvető fontosságú, hogy kicsi legyen a Q_GD nyelő–kapu-töltésmennyiség, mivel ez jelentősen csökkenti a kapcsolási veszteségeket.

Ha a nyelő, a kapu és a forrás között egy időben lépnek fel jelentős feszültség- és áramerősség-változások, a kapcsolás során nagy teljesítményveszteség keletkezik. A kis Q_GD rövid Miller-platót eredményez (3. ábra, balra), aminek következtében nagy lesz a kapcsolási meredekség (dV_ds/dt), és végül kisebb dinamikus energiaveszteség jön létre a nyitás során (3. ábra, kék terület a jobb oldalon).

3. ábra: A rövid Miller-plató (balra) nagy kapcsolási meredekséget jelent, ami kis dinamikus veszteségeket eredményez (kék terület a jobb oldalon). A V_gp a Miller-plató kapu–forrás-feszültsége, a V_TH a kapu küszöbfeszültsége, az I_ds a nyelő-forrás-áramerősség (ábra: Vishay)

A lavinahatás energiájának korlátozása és a MOSFET védelme

A villanymotor-vezérlő eszközökben az állórésztekercs áramtalanításának pillanatában az összeomló mágneses mező fenntartja az áram folyását, olyan magas indukciós feszültséget generálva a MOSFET-en keresztül, amely felülmúlja a tápfeszültséget (V_DD). A MOSFET belső testdiódájának záróirányú átütési feszültsége (V_BR) azonban korlátozza ezt a magas feszültséget. Az úgynevezett lavinahatás során a MOSFET a kiáramló mágneses energiát lavinaenergiává (E_DS) alakítja, amíg a tekercsáram nullára nem csökken. Ez gyorsan túlmelegítheti a félvezetőkristályt.

A 4. ábra egy egyszerű tekercsvezérlést mutat egy MOSFET-es kapcsolóval, valamint a jeleket az idő függvényében egy lavinaesemény előtt, alatt (t_AL időablak) és után. Ha a lavinahatás során leadott energia mennyisége (E_DS(AL)S) túl nagy, a keletkező hő károsítja a félvezető szerkezetét.

4. ábra: Egy MOSFET jelei az idő függvényében egy lavinaesemény előtt, alatt (t_AL) és után (ábra: Nexperia)

Az LFPAK56D MOSFET-eket nagyon strapabíróra tervezték, és a Nexperia laboratóriumi tesztjei szerint több milliárd lavinaeseményt képesek károsodás nélkül elviselni. A maximális lavinaenergiát figyelembe véve a tekercsvezérlő fokozatok működnek további szabadonfutó és megfogódiódák nélkül is, csak ezeknek a MOSFET-eknek a lavinahatásos működését használva.

Az elektrotermikus hatás számítógépes szimulációja

A rendszer hatásfokának javításához nem elegendő egy egyszerű jóságmutató számra (FOM, figure of merit), például az R_DS × Q_GD szorzatra hagyatkozni. Ehelyett a tervezőknek pontosabb veszteségelemzést kell végezniük, amely figyelembe veszi a MOSFET-eknek az alábbiak miatti veszteségeit is:

• nyitáskori vezetőképesség
• nyitási és zárási veszteségek
• a kimeneti kapacitás töltése és kisütése
• a belső testdióda folytonossági és kapcsolási veszteségei
• a kapukapacitás töltése és kisütése

Az összveszteség minimálisra csökkentése érdekében a tervezőknek meg kell érteniük a MOSFET paraméterei és az üzemi környezet közötti kapcsolatot. Erre a célra a Nexperia precíziós elektrotermikus modelleket kínál a MOSFET-ekhez, amelyek figyelembe veszik a villamos és a hőteljesítményt is, valamint a MOSFET minden fontos működési jellemzőjét. A fejlesztők használhatják a PartQuest Explore internetes szimulátort, vagy importálhatják a modelleket SPICE vagy VHDL-AMS formátumban az általuk választott szimulációs platformba.

A cikk megírásának időpontjában az LFPAK56D MOSFET-ekhez csak a villamos modellek állnak rendelkezésre. Ezért a következő hőszimulációs példa egy másik MOSFET-típussal, a BUK7S1R0-40H jelű MOSFET-tel foglalkozik.

A párbeszédes kísérleti IAN50012 Electrothermal models for Power MOSFET (IAN50012 elektrotermikus modellek teljesítmény-MOSFET-ekhez) alkalmazás a BUK7S1R0-40H MOSFET három melegedési forgatókönyvét szimulálja 36,25 A terhelőáram rákapcsolása után. Az 5. ábra bal oldalán a három szimulációs kapcsolás látható.

5. ábra: Az ábrán egy MOSFET-nek a PartQuest Explore internetes szimulátor segítségével végzett elektrotermikus szimulációja látható (ábra: Nexperia)

A felső t_j_no_self_heating kapcsolás esetében a pn-átmenet és a hordozólap közvetlenül (T_amb) kapcsolódik a 0 °C-os környezeti hőmérséklethez, hőellenállás (R_th) nélkül. A középső t_j_self_heating kapcsolás esetében a lapka az R_th-j pn-átmeneti hőellenálláson keresztül kapcsolódik a környezeti hőmérséklethez, és a pn-átmenet T_j hőmérséklete körülbelül 0,4 °C-ot emelkedik. Az alsó kapcsolás esetében a hordozólap (mb, mounting base) egy hűtőbordával ellátott hatrétegű, FR4 anyagú nyomtatott áramköri lap R_{th_mb} hordozólapi hőellenállásán keresztül kapcsolódik a környezeti hőmérséklethez. A hordozólapi T_mb hőmérséklet (zöld) 3,9 °C-ra, a p-n átmenet T_j hőmérséklete (piros) pedig 4,3 °C-ra emelkedik.

Összegzés

A rendkívül kis veszteségű LFPAK56D MOSFET-ek kiváló hatásfokot és teljesítménysűrűséget kínálnak a gyors kapcsolású kapcsolóüzemű áramátalakítókban és villanymotor-vezérlőkben való használathoz. A nyomtatott áramköri lapok tervezésének fentebb tárgyalt áramköri és hőtani szempontjai és az elektrotermikus szimuláció jól szemléltetik, hogy a tervezők hogyan küzdhetik le a nagy tűrőképességre és jó hatásfokra vonatkozó követelmények és a helyszűke jelentette tervezési kihívásokat.