Super Junction MOSFETy jsou tvořeny střídavě vrstvami polovodičového materiálu typu p a n tak, aby vzniklé PN přechody měly nižší odpor v zapnutém stavu RDS(ON) a nižší hradlový náboje Qg ve srovnání s tradičními planárními MOSFET tranzistory. Toto vylepšení lze kvantifikovat pomocí výpočtu Figure of Merit (FOM), kde FOM = RDS(ON) x Qg. FOM tak definuje jaký odpor má MOSFET tranzistor v sepnutém stavu a kolik náboje je potřeba k jeho sepnutí a rozepnutí. Hradlový náboj Qg sice poskytuje praktické srovnání spínacího výkonu, ale je nutné vědět, že jeho velmi nízká hodnota často vede ke zhoršení jiných důležitých vlastností.
Rovnoměrné rozložení náboje v super Junction MOSFETech umožňuje vytvořit tenčí a silněji dopované oblasti. Tím je jejich účinnost vyšší, jelikož je lze rychleji spínat a rozepínat a spínací ztráty dosahují minimálních hodnot. Problémy s odvodem tepla jsou taky částečně vyřešeny, jelikož díky vyšší činnosti se generuje během provozu méně tepla. Kdy použít super junction MOSFET závisí samozřejmě na konkrétních požadavcích dané aplikace. Své uplatnění naleznou tam, kde je požadováno vysokonapěťové spínání a zároveň kompaktní design. To je například u AC/DC napájecích zdrojů a měničů, motorových driverů s proměnnou frekvencí či u solárních invertorech.
Nezapomeňte na reverzní obnovovací náboj Qrr
Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu při výběru super junction MOSFETu je reverzní obnovovací náboj Qrr. Jedná se o náboj, který se hromadí v PN přechodu, když proud protéká MOSFETem během spínacího cyklu. Pokud je tento náboj vysoký, narůstají napěťové špičky a rostou také ztráty. Proto nižší hodnota reverzního obnovovacího náboje je důležitým parametrem pro zajištění vysoké účinnosti a minimalizaci spínacích ztrát. Přechodné jevy způsobené vysokým nábojem Qrr generují elektromagnetické rušení (EMI), a to má negativní dopad na citlivé součásti a integritu signálu. Z hlediska designu nízká hodnota Qrr poskytuje následující výhody:
- Nízké spínací ztráty, protože je minimalizována ztráta energie
- Vyšší účinnost díky lepšímu využití energie
- Generování malého množství tepla během spínání
- Nízké EMI rušení díky nižším napěťovým špičkám
- Dlouhodobá spolehlivost díky menšímu namáhání během spínacích cyklů
Obecně platí, že čím vyšší je frekvence, tím větší je priorita použití nižšího náboje Qrr. Je také důležité zjistit, jak tento parametr přispívá k tvorbě tepla a následující požadavky na chlazení. K tomu jaký vliv má Qrr na danou aplikaci lze ověřit v simulačních nástrojích, jelikož výrobci k super junction MOSFETům poskytují přesné modely. Všechny poznatky ze simulace je nutné ale ověřit pomocí osciloskopu a proudové sondy na prototypu nebo na vývojové desce. Optimální hodnota Qrr závisí na nalezení rovnováhy mezi účinností a tepelným výkonem, transkonduktancí, prahovým a dopředným napětím.
Výběr výkonového MOSFETu
Nexperia nabízí dvě produktové řady super junction MOSFETů, jejichž cílem je poskytnout optimální spínací výkon k dané aplikaci. MOSFETy NextPower 80 V a 100 V jsou vhodné pro vysoce účinné přepínání a vysoce spolehlivé aplikace jako jsou průmyslové napájecí zdroje či telekomunikace. MOSFETy poskytují Qrr okolo 50 nC, mají nízkou hodnotu zpětného obnovovacího proudu Irr a nízké napěťové špičky Vpeak. Jsou umístěny v pouzdrech s měděnou sponou LFPAK56, LFPAK56E a LFPAK88. Pouzdro LFPAK56/LFPAK56E má půdorys 5 x 6 mm neboli 30 mm2. To je 81% úspora místa ve srovnání s pouzdrem D2PAK s 163 mm2 a 57 % ve srovnání s DPAK se 70 mm2 (obrázek 1).
Obrázek 1: Porovnání pouzder LFPAK56 (vpravo) s pouzdry D2PAK a DPAK (vlevo). (Zdroj obrázku: Nexperia)
LFPAK56E (obrázek 2) je vylepšená verze LFPAK56, která dosahuje nižšího odporu při zachování stejného kompaktního půdorysu. Příkladem toho je N-kanálový MOSFET NextPower PSMN3R9-100YSFX, 100 V, 4,3 mΩ s trvalým jmenovitým proudem 120 A. Je určen až do teploty +175 °C a doporučuje se pro průmyslové a spotřebitelské aplikace jako je synchronní usměrňovač v AC/DC a DC/DC, primary side spínač pro 48 V DC/DC, BLDC řízení motoru, USB-PD adaptér nebo aplikace s plným i polovičním můstkem.
Obrázek 2: Pouzdro LFPAQK56E N-kanálového MOSFETu PSMN3R9-100YSFX. (Zdroj obrázku: Nexperia)
N-kanálový MOSFET NextPower PSMN2R0-100SSFJ, 100 V, 2,07 mΩ, 267 A je dodáván v pouzdře LFPAK88, který má půdorys 8 x 8 mm. Je také určen do teploty až +175 °C a používá se v synchronním usměrňovači AC/DC a DC/DC, ovládání motoru BLDC, aplikacích s plným i polovičním můstkem a ochranných obvodech baterie. MOSFETy NextPowerS3 jsou také dostupné ve verzích 25 V, 30 V a 40 V s Schottky-Plus diodou, která poskytuje nízký odpor RDS(ON). Tyto tranzistory jsou schopné pracovat s proudy až 380 A. Například N-kanálový MOSFET NextPower PSMN5R4-25YLDX, 25 V, 5,69 mΩ ve standardním pouzdře LFPAK56. Technologie „Schottky-Plus“ od Nexperia poskytuje vysokou účinnost, nízký rázový výkon bez problematického vysokého svodového proudu, který je pod hranicí 1 μA při +25 °C.
NextPowerS3 se doporučují pro DC-to-DC měniče v serverech a telekomunikacích, v modulech regulátoru napětí (VRM), POL modulech, napájecích zdrojích pro ASIC, DDR, GPU, VGA a drivery pro kartáčové/bezkartáčové motory. MOSFETy řady NextPowerS3 jsou také k dispozici v rozměru 3,3 x 3,3 mm LFPAK33 (obrázek 3) jako je například 30 V MOSFET PSMN1R8-30MLHX vhodný pro synchronní regulátory a usměrňovače v aplikacích AC/DC a DC/DC, BLDC drivery spolu s eFuse a ochranou baterie.
Obrázek 3: Porovnání NextPowerS3 LKPAK33 (vpravo) s pouzdrem DPAK. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Závěr
Super junction MOSFETy jsou nepostradatelné pro dosažení rovnováhy mezi výkonem, účinností a náklady pro mnoho aplikací výkonové elektroniky. Portfolio MOSFETů NextPowerS3 a NextPower 80/100 V od Nexperia nabízí řadu vlastností, které jsou k dispozici v kompaktních a tepelně vylepšených pouzdrech LFPAK pro lepší hustotu výkonu a spolehlivost.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
