Bewertung von Superjunction-Leistungs-MOSFETs hinsichtlich Performance und Effizienz

Superjunction-Leistungs-MOSFETs dominieren schon so lange die Anwendungen für das Schalten von Hochspannungen, dass man versucht ist zu glauben, es müsse bessere Alternativen geben. Ihre Fähigkeit, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Effizienz und Kosteneffizienz zu bieten, macht sie jedoch unverzichtbar für die Optimierung elektronischer Leistungsdesigns für viele neue Anwendungen.

Die seit der Jahrhundertwende kommerziell erhältlichen Superjunction-MOSFETs auf Siliziumbasis wurden durch Aufeinanderschichten von abwechselnden p- und n-Schichten aus Halbleitermaterial hergestellt, um PN-Übergänge zu erzeugen, die im Vergleich zu herkömmlichen planaren MOSFETs zu einem geringeren Durchlasswiderstand (R_DS(ON)) und einer geringeren Gate-Ladung (Q_g) führen. Diese Vorteile wurden in einer FOM-Formel (Figure of Merit, Gütefaktor) quantifiziert, wobei FOM = R_DS(ON) x Q_g ist.

Der FOM gibt an, wie groß der Widerstand des MOSFETs ist, wenn er eingeschaltet ist, und wie viel Ladung zum Ein- und Ausschalten erforderlich ist.

Q_g bietet einen praktischen Vergleich der Schaltleistung, aber manchmal kann das überbewertet werden. Moderne Gate-Treiber sind für die meisten Gate-Ladungsanforderungen verfügbar, so dass bei einer noch stärkeren Optimierung die Gefahr besteht, dass die Kosten auf Grund der Verbesserung anderer kritischer Parameter in die Höhe getrieben werden.

Das Ladungsausgleichsdesign in Superjunction-MOSFETs ermöglicht dünnere und stärker dotierte Bereiche. Ihre Effizienz bei der Leistungsumwandlung ergibt sich aus der Fähigkeit, den MOSFET schneller ein- und auszuschalten, was die Schaltverluste reduziert. Auch das Wärmemanagement wird vereinfacht, da der verbesserte Wirkungsgrad im Betrieb weniger Wärme erzeugt.

Wann oder ob sie verwendet werden, hängt natürlich von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Sie werden gerne in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Schalteffizienz und ein kompaktes Design erwünscht sind, z. B. in AC/DC-Netzteilen und -Wandlern, Motorantrieben mit variabler Frequenz, Solarwechselrichtern und anderen.

Übersehen Sie nicht die Q_rr-Werte

Ein weiterer Faktor, der bei der Auswahl von Superjunction-MOSFETs für eine Anwendung zu berücksichtigen ist, ist die Sperrschichtladung (Q_rr) - die Ladung, die sich im PN-Übergang aufbaut, wenn während eines Schaltzyklus Strom durch die Substratdiode des MOSFET fließt. Wenn sie hoch ist, kann dies zu Spannungsspitzen und zusätzlichen Verlusten führen. Daher ist eine niedrigere Sperrschichtladung wichtig, um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Schaltverluste zu minimieren.

Transiente Ereignisse aufgrund eines hohen Q_rr können auch elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen, die sich negativ auf empfindliche Komponenten und die Signalintegrität auswirken.

Die Reduzierung des Q_rr ist vorteilhaft, um die Performance zu verbessern, insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen, wo diese Effekte verstärkt werden, und um einen optimalen Betrieb und die Einhaltung der EMI-Parameter zu gewährleisten. Aus Sicht des Produktdesigns kann eine niedrigere Ladung folgende Vorteile bieten:

• Geringere Schaltverluste, da der Energieverlust minimiert wird
• Gesteigerte Effizienz durch bessere Energieausnutzung
• Verbesserte thermische Leistung mit geringerer Wärmeentwicklung beim Schalten
• Geringere EMI durch reduzierte Spannungsspitzen und Klingeln
• Längere Zuverlässigkeit durch geringere Belastung bei Schaltzyklen

Im Allgemeinen gilt: Je höher die Frequenz, desto höher die Priorität der Verwendung eines niedrigeren Q_rr. Es ist auch wichtig zu bestimmen, wie dieser Faktor zur Wärmeentwicklung in der Anwendung und dem daraus resultierenden Kühlungsbedarf beiträgt.

Nachdem man sich für einen oder mehrere potenzielle MOSFETs entschieden hat, können Simulationstools verwendet werden, um den MOSFET zu modellieren und herauszufinden, wie sich der Q_rr in der Anwendung verhält und die Performance beeinflusst. Experimentelle Tests mit einem Oszilloskop und einer Stromsonde können Messungen von Schaltvorgängen mit einem bestimmten MOSFET ergeben.

Die Anpassung dieser Werte an die Erfordernisse einer Anwendung hängt davon ab, dass ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Effizienz und anderen Parametern wie Wärmeleistung, Transkonduktanz, Schwellenspannung und Durchlassspannung der Diode gefunden wird.

Die Auswahl des richtigen Leistungs-MOSFET

Nexperia bietet zwei Produktfamilien an Superjunction-Leistungs-MOSFETs an, die eine Reihe von Optionen bieten, um die richtige Kombination von Schaltleistung für verschiedene Anwendungsanforderungen zu finden.

Die NextPower-MOSFETs für 80 V und 100 V des Unternehmens eignen sich für hocheffiziente Schaltanwendungen und hochzuverlässige Anwendungen in den Bereichen Stromversorgungen, Industriedesign und Telekommunikation. Die Bauelemente liefern einen Q_rr-Wert von bis zu 50 Nanocoulomb (nC), einen niedrigeren Rückstrom (I_rr), geringere Spannungsspitzen (V_Spitze) und ein reduziertes Klingeln.

Die im LFPAK56-, LFPAK56E- und LFPAK88-Kupferclip-Gehäuse erhältlichen Bausteine bieten platzsparende Flexibilität, ohne die thermische Leistung oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Das LFPAK56/LFPAK56E-Gehäuse hat einen Footprint von 5 mm x 6 mm bzw. 30 mm², was eine Platzersparnis von 81 % im Vergleich zum D²PAK mit 163 mm² und 57 % im Vergleich zum DPAK mit 70 mm² bedeutet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vergleich des LFPAK56-Gehäuses (rechts) mit den D²PAK- (links) und DPAK-Footprints. (Bildquelle: Nexperia)

Das LFPAK56E (Abbildung 2) ist eine verbesserte Version des LFPAK56, die bei gleichem Platzbedarf einen geringeren Widerstand aufweist, was zu einer höheren Effizienz führt. Ein Beispiel in diesem verbesserten Gehäuse ist der PSMN3R9-100YSFX, ein 4,3 mOhm n-Kanal-MOSFET für 100 V und mit einer Dauerstromleistung von 120 A. Er ist bis +175°C qualifiziert und wird für Industrie- und Verbraucheranwendungen empfohlen, u. a. als Synchrongleichrichter in AC/DC- und DC/DC-Wandlern, als primärseitiger Schalter für 48V-DC/DC-Wandler, BLDC-Motorsteuerung, USB-PD-Adapter, Voll- und Halbbrückenanwendungen sowie Flyback- und Resonanztopologien.

Abbildung 2: Das LFPAQK56E-Gehäuse des PSMN3R9-100YSFX und anderer Superjunction-Leistungs-MOSFETs der Serie NextPower für 80/100 V. (Bildquelle: Nexperia)

Der NextPower PSMN2R0-100SSFJ, ein 2,07 mOhm n-Kanal-MOSFET für 100 V und 267 A, wird in einem LFPAK88-Gehäuse mit einem Footprint von 8 mm x 8 mm geliefert. Er ist ebenfalls bis +175°C qualifiziert und wird für Industrie- und Verbraucheranwendungen empfohlen, z. B. als Synchrongleichrichter in AC/DC- und DC/DC-Wandlern, als primärseitiger Schalter, zur Steuerung von BLDC-Motoren, für Voll- und Halbbrückenanwendungen und zum Schutz von Batterien.

Für diejenigen, die Wert auf hohe Leistung und Zuverlässigkeit legen, sind die NextPowerS3-MOSFETs in 25V-, 30V- und 40V-Versionen mit einer Schottky-Plus-Substratdiode erhältlich, die einen niedrigen R_DS(ON) und eine nachgewiesene Dauerstromfähigkeit von bis zu 380 A bietet. Der PSMN5R4-25YLDX zum Beispiel ist ein 5,69 mΩ n-Kanal-Logikpegel-MOSFET der Serie NextPowerS3 für 25 V in einem LFPAK56-Standardgehäuse.

Die „Schottky-Plus“-Technologie von Nexperia bietet den hohen Wirkungsgrad und die niedrige Spiking-Performance, die man normalerweise mit MOSFETs mit integrierter Schottky- oder Schottky-ähnlicher Diode assoziiert, jedoch ohne den problematischen hohen Leckstrom, welcher hier bei <1 μA Leckstrom bei +25°C liegt.

Die NextPowerS3-Bausteine werden für eine Reihe von Anwendungen empfohlen, darunter platinenmontierte DC/DC-Lösungen für Server und Telekommunikation, Spannungsreglermodule (VRM), Lastpunktmodule (POL), Stromversorgungen für V-Core-, ASIC-, DDR-, GPU-, VGA- und Systemkomponenten sowie gebürstete/bürstenlose Motorsteuerungen.

NextPowerS3-Bausteine sind auch in einem 3,3 mm x 3,3 mm großen LFPAK33-Gehäuse erhältlich (Abbildung 3), darunter der PSMN1R8-30MLHX für 30 V, der sich für Anwendungen wie synchrone Abwärtsregler, synchrone Gleichrichter in AC/DC- und DC/DC-Anwendungen, BLDC-Motorsteuerung (bürstenlos) sowie eFuse und Batterieschutz eignet.

Abbildung 3: Eine Illustration, die das LKPAK33-Gehäuse der Serie NextPowerS3 (rechts) mit dem DPAK-Gehäuse vergleicht. (Bildquelle: Nexperia)

Fazit

Superjunction-Leistungs-MOSFETs auf Siliziumbasis sind unverzichtbar, wenn es darum geht, ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Effizienz und Kosten zu erreichen, das für viele neue leistungselektronische Anwendungen erforderlich ist. Nexperias Portfolio an 80/100-V-MOSFETs der Serien NextPowerS3 und NextPower bietet eine Reihe von Eigenschaften, um diese Anforderungen zu erfüllen. Sie sind in kompakten und thermisch optimierten LFPAK-Gehäusen erhältlich, um die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit zu verbessern.