Een evaluatie van superjunction vermogens-MOSFET's op prestaties en efficiëntie

Superjunction vermogens-MOSFET's domineren al zo lang de spanningsschakelingstoepassingen dat je zou denken dat er betere alternatieven zijn. Dankzij de balans tussen prestaties, efficiëntie en kosteneffectiviteit zijn ze echter onmisbaar bij het optimaliseren van elektronische vermogensontwerpen voor veel nieuwe toepassingen.

Op silicium gebaseerde superjunctie MOSFET's zijn commercieel verkrijgbaar sinds de eeuwwisseling en werden gecreëerd door afwisselend lagen p-type en n-type halfgeleidermateriaal op elkaar te stapelen. Deze PN-juncties resulteerde in een verminderde aan-statusweerstand (R_DS(ON)) en poortlading (Q_g), vergeleken met traditionele vlakke MOSFET's. Deze voordelen zijn gekwantificeerd in een FOM-berekening (Figure of Merit), waarbij FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM kwantificeert hoeveel weerstand de MOSFET heeft als hij aan is en hoeveel lading er nodig is om aan en uit te schakelen.

Q_g biedt een handige vergelijking van schakelprestaties, maar soms kan dat te veel benadrukt worden. Er zijn moderne poortdrivers beschikbaar die voldoen aan de meeste vereisten voor poortlading, dus ontwerpers die op zoek zijn naar nog grotere optimalisatie lopen het risico hun kosten op te drijven ten koste van het verbeteren van andere kritieke parameters.

Het ladingsbalansontwerp in superjunction MOSFET's maakt dunnere en zwaarder gedoteerde gebieden mogelijk. De efficiëntie in vermogensomzetting komt voort uit het sneller in- en uitschakelen van de MOSFET, waardoor de schakelverliezen afnemen. Ook het thermisch beheer wordt vereenvoudigd doordat de verbeterde efficiëntie minder warmte genereert tijdens het gebruik.

Wanneer en of men ze gebruikt, hangt natuurlijk af van de specifieke vereisten van de toepassing. Ze zijn populair in toepassingen waar spanningsschakelingsefficiëntie en een compact ontwerp gewenst zijn, zoals onder andere AC/DC-voedingen en -converters, aandrijvingen voor motoren met variabele frequentie en omvormers voor zonne-energie.

Vergeet de Q_rr-waarden niet

Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van superjunctie MOSFET's is de omgekeerde recuperatielading (Q_rr), oftewel de lading die zich opbouwt in de PN-junctie als er tijdens een schakelcyclus stroom door de diode van de MOSFET gaat. Als die hoog is, kan dat leiden tot spanningspieken en extra verliezen, dus een lagere herstellading is belangrijk voor het verbeteren van de efficiëntie en het minimaliseren van schakelverliezen.

Transiënte gebeurtenissen als gevolg van een hoge Q_rr kunnen ook elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken, met negatieve gevolgen voor gevoelige componenten en signaalintegriteit.

Het verlagen van Q_rr is gunstig voor het verbeteren van de prestaties, vooral in hoogfrequente toepassingen waar deze effecten worden versterkt, en om een optimale werking en naleving van EMI-parameters te garanderen. Vanuit het oogpunt van productontwerp kan een lagere lading de volgende voordelen opleveren:

• minder schakelverliezen doordat de energiedissipatie tot een minimum wordt beperkt,
• verbeterde efficiëntie door beter energiegebruik,
• verbeterde thermische prestaties, met minder warmteontwikkeling tijdens het schakelen,
• beperkte EMI door minder spanningspieken en rinkelen,
• langduriger betrouwbaarheid door minder stress tijdens schakelcycli.

Over het algemeen geldt: hoe hoger de frequentie van de toepassing, hoe groter de prioriteit van het gebruik van een lagere Q_rr. Het is ook belangrijk om te bepalen hoe deze factor bijdraagt aan de warmteontwikkeling in de toepassing en de daaruit voortvloeiende koelvereisten.

Nadat een of meer potentiële MOSFET's zijn gekozen, kunnen ontwerpers simulatieprogramma's gebruiken om de MOSFET te modelleren en na te gaan hoe de Q_rr zich zal gedragen in de toepassing en de prestaties zal beïnvloeden. Experimenteel testen met een oscilloscoop en een stroomsonde kan metingen van schakelgebeurtenissen met een bepaalde MOSFET opleveren.

Het afstemmen van deze waarden op de behoeften van een toepassing hangt af van het vinden van de juiste balans met efficiëntie en andere parameters zoals thermische prestaties, transgeleiding, drempelspanning en doorlaatspanning van diodes.

De juiste vermogens-MOSFET kiezen

Nexperia biedt twee superjunction vermogens-MOSFET-productfamilies die productontwerpers een reeks opties bieden om de juiste combinatie van schakelprestaties af te stemmen op verschillende toepassingseisen.

De NextPower 80 V en 100 V MOSFET's van dit bedrijf zijn geschikt voor ontwerpers die zich richten op zeer efficiënte schakelingen en zeer betrouwbare toepassingen, zoals voedingen, industrieel ontwerp en telecommunicatie. De componenten leveren Q_rr tot 50 nanocoulomb (nC), met een lagere omgekeerde herstelstroom (I_rr), lagere spanningspieken (V_peak) en minder rinkelen.

De componenten zijn beschikbaar in LFPAK56-, LFPAK56E- en LFPAK88-koperclippakketten en bieden ruimtebesparende flexibiliteit zonder afbreuk te doen aan de thermische prestaties of betrouwbaarheid. Het LFPAK56/LFPAK56E-pakket heeft een voetafdruk van 5 mm x 6 mm, of 30 mm², een ruimtebesparing van 81% vergeleken met D²PAK van 163 mm², en 57% vergeleken met DPAK van 70 mm² (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Vergelijking van LFPAK56-pakket (rechts) met D²PAK (links) en DPAK-voetafdrukken. (Bron afbeelding: Nexperia)

De LFPAK56E (afbeelding 2) is een verbeterde versie van de LFPAK56 die een lagere weerstand bereikt met behoud van dezelfde compacte voetafdruk, wat leidt tot een verbeterde efficiëntie. Een voorbeeld in deze verbeterde behuizing is de PSMN3R9-100YSFX, een 100 V, 4,3 mOhm (mΩ) N-kanaals MOSFET met een continue stroom van 120 A. Deze MOSFET is gekwalificeerd tot +175 °C en wordt aanbevolen voor industriële en consumententoepassingen, waaronder een synchrone gelijkrichter in AC/DC en DC/DC, een primaire zijschakelaar voor 48 V DC/DC, BLDC-motorbesturing, USB-PD-adapters, full-bridge- en half-bridge-toepassingen, evenals flyback en resonante topologieën.

Afbeelding 2: Het LFPAQK56E-pakket van de PSMN3R9-100YSFX en andere NextPower 80/100 V superjunction vermogens-MOSFET's. (Bron afbeelding: Nexperia)

De NextPower PSMN2R0-100SSFJ, een N-kanaals MOSFET van 100 V, 2,07 mΩ, 267 A, wordt geleverd in een LFPAK88-pakket met een voetafdruk van 8 mm x 8 mm. Hij is ook gekwalificeerd tot +175 °C en wordt aanbevolen voor industriële en consumententoepassingen zoals een synchrone gelijkrichter in AC/DC en DC/DC, een primaire zijschakelaar, BLDC-motorbesturing, full-bridge- en half-bridge-toepassingen en batterijbeveiliging.

Voor ontwerpers die hoge prestaties en betrouwbaarheid vooropstellen, zijn de NextPowerS3 MOSFET's verkrijgbaar in versies voor 25 V, 30 V en 40 V met een Schottky-Plus-lichaamsdiode die een lage R_DS(ON) levert en een bewezen continue stroomcapaciteit tot 380 A. De PSMN5R4-25YLDX is bijvoorbeeld een NextPowerS3 N-kanaals 25 V, 5,69 mΩ logic level MOSFET in een standaard LFPAK56-pakket.

De Schottky-Plus-technologie van Nexperia levert de hoge efficiëntie en lage piekprestaties die gewoonlijk worden geassocieerd met MOSFET's met een geïntegreerde Schottky- of Schottky-achtige diode, maar zonder problematische hoge lekstroom, met <1 μA lekkage bij +25 °C.

De NextPowerS3-componenten worden aanbevolen voor een reeks toepassingen, waaronder on-board DC-naar-DC-oplossingen voor servers en telecommunicatie, spanningsregelmodules (VRM), POL-modules (point-of-load), stroomlevering voor V-core, ASIC, DDR, GPU, VGA en systeemcomponenten, en geborstelde/borstelloze motorregeling.

NextPowerS3-componenten zijn ook beschikbaar in een 3,3 mm x 3,3 mm LFPAK33-voetafdruk (afbeelding 3), inclusief de 30 V PSMN1R8-30MLHX, die geschikt is voor toepassingen zoals een synchrone buckregelaar, een synchrone gelijkrichter in AC/DC- en DC/DC-toepassingen, (borstelloze) BLDC-motorbesturing, samen met eFuse en batterijbeveiliging.

Afbeelding 3: Vergelijking van het NextPowerS3 LKPAK33-pakket (rechts) en het DPAK-pakket. (Bron afbeelding: Nexperia)

Conclusie

Superjunction vermogens-MOSFET's op basis van silicium zijn onmisbaar voor het bereiken van de juiste balans tussen prestaties, efficiëntie en kosteneffectiviteit die nodig is voor veel nieuwe toepassingen in de vermogenselektronica. Het portfolio van NextPowerS3 en NextPower 80/100V-MOSFET's van Nexperia biedt productontwerpers een reeks kenmerken om aan deze eisen te voldoen. Ze zijn verkrijgbaar in compacte en thermisch verbeterde LFPAK-pakketten voor een betere vermogensdichtheid en betrouwbaarheid.