Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Industrijski in avtomobilski preklopni pretvorniki ter gonilniki motorjev potrebujejo kovinsko oksidne silicijeve tranzistorje (MOSFET), ki so majhni, učinkoviti in povzročajo minimalen električni šum. Pristop z dvojnim MOSFET-om pomaga doseči te zahteve.
Dobro zasnovani dvojni MOSFET-i, ki imajo v ohušju dva namesto enega MOSFET-a, zavzamejo manj prostora na plošči tiskanega vezja, zmanjšajo parazitivno induktivnost ter odpravijo potrebo po obsežnih in dragih hladilnih telesih, saj izboljšajo toplotno učinkovitost. Take komponente lahko brez motenj preklapljajo pri več sto kilohercih (kHz), stabilno delujejo v širokem temperaturnem razponu ter imajo majhen slepi toka. Vendar morajo razvijalci razumeti karakteristike delovanja, če želijo doseči potencial teh komponent.
V tem članku so predstavljeni primeri dvojnih MOSFET-ov podjetja Nexperia in načini, kako jih lahko razvijalci uporabijo za reševanje izzivov robustnih, visoko učinkovitih in prostorsko omejenih zasnov. Obravnava načine za optimizacijo načrtovanja tiskanih vezij ter zagotavlja nasvete o elektrotermični simulaciji in analizi izgub.
Več učinkovitosti pri visokih stikalnih hitrostih
Dvojni MOSFET-i so primerni za številne avtomobilske (AEC-Q101) in industrijske aplikacije, vključno zDC/DC stikalnimi pretvorniki, inverterji za krmiljenje motorjev in krmilniki elektromagnetnih ventilov. V teh primerih se lahko dvojni MOSFET-i med drugim uporabljajo v stikalnih parih in topologijah polovičnega mostu.
Serija LFPAK56D podjetja Nexperia je odličen primer naprav z dvojnim MOSFET-om. V njih je uporabljena tehnologija bakrenih sponk podjetja Nexperia, ki omogoča izjemno tokovno zmogljivost, nizko impedanco ohišja in visoko zanesljivost (slika 1, desno). Te trdne bakrene sponke izboljšajo odvajanje toplote od polprevodniške podlage na ploščo prek spajkanih spojev, tako da približno 30 % celotne odvedene toplote steče skozi izvorne priključke. Veliki bakreni preseki zmanjšajo tudi ohmsko razpršitev energije in dušijo nihanje z zmanjšanjem parazitivne induktivnosti linije.
Kot večina delov, namenjenih visokonapetostnim preklopnim pretvornikom, tudi LFPAK56D uporablja tehnologijo superjunkcije. Ta zasnova zmanjšuje upor »vklopa« ponor-vir (RDS(on)) in parametre polnjenja vrata-ponor (QGD), kar zmanjšuje izgube energije. Uporaba dveh MOSFET-ov na istem substratu še dodatno zmanjša upor ponor-vir.
Kot superjunkcijski MOSFET je serija LFPAK56D robustna proti plazovitim dogodkom in ima široko varno območje delovanja (SOA). Na primer, vsak 100-voltni MOSFET v napraviPSMN029-100HLX TrenchMOS ima RDS(on) 29 miliohmov (mΩ), zmore 68 vatov in prenese do 30 amperov (A).
Serija LFPAK56D prav tako uporablja tehnologijo SChottkyPlus NXP, kar zmanjša obnašanje ob koničnih dogodkih in znižuje slepi tok. Na primer, tipični RDS(on) zaPSMN014-40HLDX je ponavadi 11,4 mΩ, slepi tok ponor-vir pa znaša izjemno nizkih 10 nanoamperov (nA).
Da bi popolnoma izkoristila visoke tokove MOSFET-ov, mora biti plošča tiskanega vezja zasnovana tako, da odvaja veliko toplote in zagotavlja stabilne električne povezave. Večplastne plošče tiskanega vezja z zadostnim številom vij in velikimi, debelimi bakrenimi vodniki zagotavljajo visoko toplotno učinkovitost.
Izogibanje toplotnemu uničenju
Čeprav so popolnoma vklopljeni močnostni MOSFET-i toplotno stabilni, obstaja nevarnost toplotnega uničenja, kadar je tok ponora (ID) nizek. V tem stanju delovanja se zaradi lokaliziranega segrevanja zniža mejna napetost vrata-vir (VGS(th)), kar pomeni, da se naprava hitreje vklopi. To ustvari pozitivno povratno zanko, pri kateri dodatni tok povzroči še večje segrevanje in še nižjo vrednost VGS(th).
Slika 2 prikazuje ta učinek za konstantno napetost ponor-vir (VDS). Ko VGS naraste, se pojavi kritični ID, imenovan Koeficient ničelne temperature (ZTC). Nad tem tokom sta negativna povratna zanka in toplotna stabilnost (modro območje); pod njim pa prevladuje padec napetosti praga, kar povzroči toplotno nestabilne delovne točke, ki lahko privedejo do toplotnega uničenja (rdeče območje).
Ta učinek zmanjša SOA pri nizkih tokovih in visokih napetostih ponor-vir. Pri delovanjih s hitrim preklopom s strmim naklonom dV/dt to ni tako problematično. Ker pa se trajanje preklapljanja povečuje, npr. zaradi zmanjšanja elektromagnetnih motenj, postane toplotna nestabilnost bolj verjetna in potencialno nevarna.
Manjše izgube med preklapljanjem pri visokih frekvencah
Pri izbiri superjunkcijskega MOSFET-a za aplikacije s hitrim preklopom je bistvena nizka QGD, saj se s tem znatno zmanjšajo izgube med preklapljanjem.
Med preklapljanjem pride do velike izgube energije, ko se hkrati pojavijo velike spremembe napetosti in toka med ponorom, vrati in virom. Zaradi nizkega QGD je Millerjeva ploskev kratka (slika 3, levo), kar vodi do strmega preklopnega naklona (dVds/dt), zaradi česar je dinamična izguba energije med vklopom manjša (slika 3, modro območje na desni).
Omejitev plazovite energije in zaščita MOSFET-ov
V trenutku izklopa statorske tuljave v gonilniku motorja sesedajoče se magnetno polje ohranja pretok toka in ustvarja visoko indukcijsko napetost na MOSFET-u, ki se prekriva z napajalno napetostjo (VDD). Vendar pa povratna prebojna napetost (VBR) diode telesa MOSFET-a omejuje to visoko napetost. Pri tako imenovanem lavinskem učinku MOSFET pretvori odtekajočo magnetno energijo v plazovno energijo (EDS), dokler tok tuljave ne pade na nič. To lahko hitro pregreje polprevodniški kristal.
Slika 4 prikazuje preprosto krmiljenje tuljave s preklopom MOSFET-a ter časovne signale pred, med (časovno okno tAL) in po enem plazovitem dogodku. Če je količina razpršene plazovite energije (EDS(AL)S) prevelika, nastala toplota poškoduje polprevodniško strukturo.
MOSFET-i LFPAK56D so zasnovani zelo robustno in lahko po laboratorijskih testih podjetja Nexperia brez poškodb prenesejo več milijard plazovitih dogodkov. Glede na največjo plazovito energijo se lahko stopnje gonilnika tuljave odpovejo dodatnim zaščitnim diodam in zapornim diodam ter uporabijo le plazovito delovanje teh MOSFET-ov.
Elektro-toplotna spletna simulacija
Za izboljšanje učinkovitosti sistema ni dovolj, če se zanašamo na preprosti FOM (ang. Figure of Merit), kot je produkt RDS x QGD. Namesto tega morajo razvijalci izvesti natančnejšo analizo izgub, ki upošteva izgube MOSFET-a, ki so posledica:
- prevodnosti ob vklopu;
- izgub pri vklopu in izkopu;
- polnjenja in praznjenja izhodne zmogljivosti;
- izgub neprekinjenosti in stikalnih izgub diode v ohišju;
- polnjenja in praznjenja zmogljivosti vrat.
Da bi čim bolj zmanjšali skupne izgube, morajo razvijalci razumeti razmerje med parametri MOSFET-a in delovnim okoljem. V ta namen Nexperia ponuja natančne elektrotermične modele za MOSFET-e, ki združujejo električne in toplotne lastnosti ter predstavljajo vsa pomembna obnašanja MOSFET-ov. Razvijalci lahko uporabijo spletni simulator PartQuest Explore ali pa v simulacijsko platformo uvozijo modele v formatih SPICE in VHDL-AMS.
V času pisanja tega članka so bili za MOSFET-e LFPAK56D na voljo le električni modeli. Zato naslednji primer toplotne simulacije obravnava drug tip MOSFET-a, BUK7S1R0-40H. Interaktivni eksperiment Elektrotermični modeli IAN50012 za močnostne MOSFET-e simulira tri scenarije segrevanja MOSFET-a BUK7S1R0-40H po vklopu obremenitvenega toka 36,25 A. Slika 5 prikazuje tri simulacijske nastavitve na levi strani.
V zgornjem primeru »tj_no_self_heating« sta priključek in montažnabaza neposredno povezana s temperaturo okolice (Tamb) 0 °C brez toplotnega upora (Rth). V srednjem primeru »tj_self_heating« je čip spojen prek Rth-j, Tj pa zraste za 0,4 °C. Spodnji primer prikazuje montažno bazo (mb), povezano s temperaturo okolice prek Rth_mb šestslojne plošče FR4 s hladilnikom. Tmb (zeleno) naraste na 3,9 °C in Tj (rdeče) naraste na 4,3 °C.
Zaključek
MOSFET-i LFPAK56D z izjemno nizkimi izgubami zagotavljajo odličen izkoristek in gostoto moči v pretvornikih s hitrim preklapljanjem ali gonilnikih motorja. Obravnavani premisleki o načrtovanju vezja in odvajanju toplote ter elektrotermična simulacija ponazarjajo, kako lahko razvijalci premagajo izzive robustnega, visoko učinkovitega in prostorsko omejenega načrtovanja.
