DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Razvijalci napajalnikov za naprave, kot so DC/DC pretvorniki, krmilniki motorjev, preklapljanje obremenitev, podatkovni centri in komunikacijska oprema, se nenehno soočajo z izzivom zmanjševanja prostorske zahtevnosti svojih izdelkov, da bi povečali gostoto moči.
Višja gostota moči pa zahteva naprave z minimalnim odvajanjem toplote, da se delovna temperatura ohrani v mejah in se zagotovi zanesljivost. Za doseganje tega so potrebne aktivne preklopne naprave, ki so ne le manjše, ampak imajo tudi manjše izgube, kar jim omogoča delovanje z višjo učinkovitostjo.
Pri izbiri ustreznih preklopnih naprav morajo projektanti skrbno upoštevati značilnosti, kot so velikost, upornost v vklopljenem stanju, prebojna napetost, hitrost preklopa in naboj reverzne regeneracije.
Ta članek ponuja kratek pregled zahtev glede zasnove napajalnikov, ki se uporabljajo v ustreznih aplikacijah. Nato predstavlja napredno MOSFET tehnologijo procesa podjetja Toshiba [1] in prikazuje, kako se lahko naprave, ki temeljijo na tej tehnologiji, uporabijo za izpolnitev teh zahtev.
Kako se razvijajo zahteve glede zasnove napajalnikov
Elektronske naprave postajajo vse manjše v različnih aplikacijah, vključno s komunikacijami, avtomobilsko industrijo, internetom stvari (IoT), industrijskim internetom stvari (IIoT) in nosljivimi napravami. Razvijalci teh sistemov potrebujejo stikalne napajalnike (SMPS) manjših dimenzij z višjo gostoto moči. Za doseganje te višje gostote moči so potrebne manjše in učinkovitejše komponente, ki omogočajo nižjo notranjo delovno temperaturo in podpirajo visoko zanesljivost zasnove.
Najpogostejše aktivne komponente v SMPS so MOSFET stikala, ki se nahajajo tako na primarni ali visokonapetostni strani kot tudi v nizkonapetostnih sekundarnih vezjih (slika 1).
Primarna stran SMPS običajno deluje pri visoki napetosti. Na primer, v napajalnikih, ki so priključeni na električno omrežje, primarni MOSFET-i usmerjajo omrežno napetost. Sekundarna stran običajno deluje pri nižji napetosti; to je predvideno področje uporabe za nizkonapetostne MOSFET-e.
Visoka učinkovitost in majhne izgube
Visoka učinkovitost napajanja se doseže z zmanjšanjem izgub moči. Izgube, povezane z aktivnimi polprevodniškimi napravami, vključujejo izgube pri prevajanju, preklapljanju in izgube na ohišju diode. Te izgube se pojavljajo v različnih trenutkih delovnega cikla naprave (slika 2).
MOSFET-i v SMPS delujejo v enem od dveh stanj, ON ali OFF. Stanje naprave se spreminja glede na napetost med vrati in virom (VGS). Ko je naprava vklopljena, je napetost med ponorom in virom (VDS) na nizki ravni. V stanju ON tok med ponorom in virom (IDS) skozi napravo določata impedanca obremenitve in upor med ponorom in virom v stanju ON (RDS(on)). Pri induktivni obremenitvi se tok linearno povečuje, medtem ko se polni magnetno polje tuljave. Med časom ON tok skozi upor kanala ustvarja prevodne izgube, ki so sorazmerne s kvadratom IDS in RDS(on). Ko je naprava izklopljena, je VDS visok, IDS pa predstavlja slepi tok naprave, ki določa prevodne izgube v stanju OFF.
Med prehodi med stanji sta napetost in tok hkrati večja od nič, moč pa se v napravi porablja sorazmerno z napetostjo, tokom in frekvenco preklapljanja. To so izgube pri preklapljanju.
Zaradi povratne regeneracije diode MOSFET-a, ko se ta preklopi iz prevodnega v neprevodni stanje, nastanejo izgube. Preostali naboj v PN-prehodu mora biti v tem času odstranjen, kar povzroči povratni regeneracijski tok in s tem povezano izgubo moči. Izguba je sorazmerna s povratnim regeneracijskim nabojem naprave (Qrr), ki določa čas povratne regeneracije.
Skupna izguba moči naprave je vsota vseh teh komponent.
Kako struktura reže (angl. trench) omogoča kompaktnejše naprave
Fizična struktura MOSFET-a vpliva na velikost in dimenzije naprave. Struktura MOSFET z režo (slika 3) je najbolj kompaktna konstrukcija, ki ponuja največjo gostoto kanala in hkrati zmanjšuje RDS(on).
V konvencionalnih planarnih MOSFET-ih teče tok horizontalno; proces trench-gate oblikuje vertikalni kanal v obliki črke U. Ta vertikalni tok zmanjša velikost naprave, kar omogoča izdelavo več naprav na vsaki rezini. Struktura zmanjša tudi RDS(on). Poleg tega višja gostota razporeditve omogoča vzporedno povezavo več naprav, kar dodatno zmanjša upor v stanju ON. Manjša velikost zmanjša tudi kapacitivnost med elektrodami, kar omogoča hitrejše preklapljanje in delovanje z višjo frekvenco.
Stikalne izgube so odvisne tudi od trajanja prehodnega območja. Trajanje je odvisno od parazitivnih kapacitivnosti naprave, ki zahtevajo prenos naboja, preden se lahko spremeni stanje MOSFET-a. Skupni naboj vrat (Qg) je količina naboja, potrebna za spremembo potenciala vrat na določeno napetost. Za zmanjšanje izgub pri preklopu je treba skrajšati čas preklopa z zmanjšanjem Qg. Produkt RDS(on) in Qg je pogosta vrednost za MOSFET, ki kaže učinkovitost naprave s kombinacijo izgub prevajanja, ki so sorazmerne z RDS(on), in izgub pri preklopu, ki so obratno sorazmerne z Qg. Boljša zmogljivost je označena z nižjo vrednostjo produkta RDS(on) * Qg.
Ker izgube pri preklopu vključujejo izraz za izgubo pri povratnem okrevanju diode ohišja, produkt RDS(on) in Qrr prispeva k razumevanju posameznega vpliva izgub pri prevajanju in preklopu. Čeprav produkt RDS(on) in Qrr ni običajna vrednost, ponuja dodatni vpogled v skupno izgubo moči MOSFET-a.
Toshibini U-MOS 11-H MOSFET-i
U-MOS11-H [2] proces podjetja Toshiba, ki temelji na izboljšani strukturi reže, zagotavlja MOSFET izdelke z nižjim RDS(on) za zmanjšane izgube prevajanja in izboljšane splošne preklopne lastnosti zaradi nižjih Qg in Qrr, kar ga naredi primernega za nizkonapetostne in visoko učinkovite aplikacije, kot so SMPS, pogoni motorjev in napajalniki strežnikov.
MOSFET Toshiba TPH2R70AR5-LQ [3] je deklariran za 100 voltov in ponazarja izboljšave v procesu U-MOS11-H. V primerjavi z enakovredno napravo iz prejšnjega procesa, TPH2R70AR5 ponuja RDS(on), ki je približno 8 % nižji, in Qg, ki je 37 % nižji. Posledična vrednost RDS(on) * Qg je 42 % nižja.
Izgube pri reverzni regeneraciji so zmanjšane z uporabo tehnologije za nadzor življenjske dobe, ki v polprevodnik vnaša napake, povzročene z ionskim žarkom, da se poveča hitrost preklapljanja in zmanjša Qrr. Qrr je izboljšan za 38 %, produkt RDS(on) * Qrr pa je zmanjšan za 43 %. Te nižje vrednosti kažejo na manjšo izgubo moči, višjo učinkovitost in višjo gostoto moči.
TPH2R70AR5-LQ lahko prenese največjo napetost 100 voltov med ponorom in virom ter tokove ponora do 22 amperov (A) brez hladilnega telesa in do 190 A s hlajenjem (temperatura ohišja 25 °C).
RDS(on) je v najslabšem primeru 2,7 miliohma (mΩ) za odvodni tok 50 A in napetost na vratih 10 voltov; RDS(on) je v najslabšem primeru 3,6 mΩ za signal napetosti na vratih 8 voltov. Qg je običajno 52 nanokulombov (nC) pri napetosti na vratih 10 voltov, tipična vrednost Qrr pa je 55 nC.
TPH2R70AR5-LQ je na voljo v SOP Advance(N) ohišju za površinsko montažo z dimenzijami 5,15 × 6,1 × 1 milimeter (mm) (slika 4), ki zagotavlja odlično združljivost montaže z industrijskimi standardi.
Velikost ohišja je prilagojena največji nazivni napetosti VDS MOSFET-a, ki znaša 100 voltov. Naprave z nižjo napetostjo imajo manjše dimenzije ohišja zaradi manjših zahtev glede razmika med priključki.
Podpora podjetja Toshiba za ta izdelek vključuje hiter model razreda G0 SPICE [4], ki razvijalcem pomaga pri hitrih preverjanjih delovanja vezja. Na voljo je tudi natančnejši model razreda G2 SPICE, ki vključuje tranzientno analizo.
Zaključek
Nizkonapetostni MOSFET Toshiba TPH2R70AR5-LQ je posebej zasnovan za uporabo na sekundarni strani SMPS. Uporablja novo celično strukturo, ki zmanjšuje izgube moči in izboljšuje preklopne lastnosti tranzistorja, kar omogoča zasnovo napajalnih naprav z visoko gostoto moči in zanesljivostjo za sodobne aplikacije.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/toshiba-semiconductor-and-storage
2: https://www.digikey.com/en/product-highlight/t/toshiba-semi-and-storage/umos-11-low-voltage-mosfets
- https://www.digikey.com/en/products/detail/toshiba-semiconductor-and-storage/TPH2R70AR5-LQ/27525802
4: https://toshiba.semicon-storage.com/us/semiconductor/knowledge/highlighted-contents/articles/simulating-the-transient-characteristics-of-mosfet-more-accurately/simulating-the-transient-characteristics-of-mosfet-more-accurately-download.html
