Optimiser la densité de puissance et les performances dans les applications de convertisseurs à découpage avec des MOSFET doubles

Les variateurs moteurs et les convertisseurs à découpage industriels et automobiles requièrent des MOSFET compacts, efficaces et générant un bruit électrique minimal. Une approche à MOSFET doubles permet de répondre à ces exigences.

En plaçant deux MOSFET dans un seul boîtier, les MOSFET doubles bien conçus occupent moins d'espace sur le circuit imprimé, réduisent l'inductance parasite et éliminent le recours à des dissipateurs thermiques encombrants et coûteux en améliorant les performances thermiques. De tels dispositifs peuvent commuter sans interférence à plusieurs centaines de kilohertz (kHz), fonctionner de manière stable sur une large plage de températures et présenter un faible courant de fuite. Cependant, les concepteurs doivent comprendre leurs caractéristiques de fonctionnement pour tirer pleinement parti de leurs avantages.

Cet article présente des exemples de MOSFET doubles de Nexperia et montre comment les concepteurs peuvent les utiliser pour relever les défis des conceptions robustes, à haut rendement et à espace restreint. Il explique comment optimiser la conception des circuits imprimés et fournit des conseils sur la simulation électrothermique et l'analyse des pertes.

Meilleur rendement à haute vitesse de commutation

Les MOSFET doubles conviennent à de nombreuses applications automobiles (AEC-Q101) et industrielles, y compris les convertisseurs à découpage CC/CC, les onduleurs moteurs et les contrôleurs d'électrovalves. Ces applications peuvent utiliser des MOSFET doubles dans des paires de commutateurs et des topologies en demi-pont, entre autres configurations.

La série LFPAK56D de Nexperia est un parfait exemple de dispositifs MOSFET doubles. Ils sont dotés de la technologie de clips en cuivre de Nexperia, qui offre une tenue en courant exceptionnelle, une faible impédance de boîtier et une haute fiabilité (Figure 1, à droite). Ces clips en cuivre massif améliorent la dissipation de chaleur du substrat semi-conducteur à travers les joints soudés au circuit imprimé, permettant à environ 30 % de la chaleur totale dissipée de passer à travers les broches de source. Les grandes sections transversales en cuivre réduisent également la dissipation de puissance ohmique et atténuent l'oscillation en réduisant l'inductance de ligne parasite.

Figure 1 : Le boîtier LFPAK56D (à droite) intègre deux MOSFET indépendants et utilise des structures de clips en cuivre similaires à celles du boîtier MOSFET simple LFPAK56 (à gauche). (Source de l'image : Nexperia)

Comme la plupart des composants destinés aux convertisseurs à découpage haute tension, le LFPAK56D utilise la technologie de superjonction. Cette conception réduit la résistance à l'état passant drain-source (R_DS(on)) et les paramètres de charge grille-drain (Q_GD), minimisant les pertes de puissance. L'utilisation de deux MOSFET sur le même substrat réduit davantage la résistance drain-source.

En tant que MOSFET à superjonction, la série LFPAK56D est robuste contre les événements d'avalanche et dispose d'une aire de sécurité (SOA) étendue. Par exemple, chacun des MOSFET de 100 volts (V) dans le dispositif TrenchMOS PSMN029-100HLX a une résistance R_DS(on) de 29 milliohms (mΩ), peut supporter 68 watts (W) et peut passer jusqu'à 30 ampères (A).

La série LFPAK56D utilise également la technologie SchottkyPlus de NXP pour réduire la présence de transitoires et le courant de fuite. Par exemple, la résistance R_DS(on) typique du PSMN014-40HLDX est généralement de 11,4 mΩ et le courant de fuite drain-source est extrêmement faible, de l'ordre de 10 nanoampères (nA).

Pour utiliser pleinement les forts courants des MOSFET, le circuit imprimé doit être conçu pour dissiper une chaleur élevée et garantir des connexions électriques stables. Les circuits imprimés multicouches avec suffisamment de traversées et de grandes pistes conductrices épaisses en cuivre garantissent des performances thermiques élevées.

Éviter l'emballement thermique

Bien que les MOSFET de puissance entièrement activés soient thermiquement stables, l'emballement thermique constitue un risque lorsque le courant de drain (I_D) est faible. Dans cet état de fonctionnement, un échauffement localisé tend à abaisser la tension grille-source seuil (V_GS(th)), ce qui signifie que le dispositif est plus facilement activé. Cela crée une situation de rétroaction positive où le courant additionnel provoque un échauffement plus important et une tension V_GS(th) encore plus faible.

La Figure 2 montre cet effet pour une tension drain-source (V_DS) constante. À mesure que V_GS augmente, il y a une valeur I_D critique connue sous le nom de coefficient de température zéro (ZTC). Au-dessus de ce courant, il y a une rétroaction négative et une stabilité thermique (zone bleue). En dessous, la chute de tension de seuil domine, entraînant des points de fonctionnement thermiquement instables pouvant conduire à un emballement thermique (zone rouge).

Figure 2 : En dessous du point ZTC, le MOSFET peut entrer dans un emballement thermique en raison d'une chute V_GS thermiquement induite (zone rouge). (Source de l'image : Nexperia)

Cet effet réduit l'aire de sécurité à faibles courants et à hautes tensions drain-source. Cela n'est pas un problème majeur pour les opérations de commutation rapides avec une forte pente dV/dt. Cependant, à mesure que la durée de commutation augmente, par exemple pour réduire les interférences électromagnétiques, l'instabilité thermique devient plus probable et potentiellement dangereuse.

Pertes de commutation inférieures à hautes fréquences

Lors de la sélection d'un MOSFET à superjonction pour les applications à commutation rapide, une faible valeur Q_GD est essentielle, car cela réduit considérablement les pertes de commutation.

Une perte de puissance élevée se produit durant la commutation lorsque des variations importantes de tension et de courant apparaissent simultanément entre le drain, la grille et la source. Une faible valeur Q_GD se traduit par un court plateau Miller (Figure 3, à gauche), conduisant à une forte pente de commutation (dV_ds/dt) et résultant en une perte d'énergie dynamique plus faible lors de la mise sous tension (Figure 3, zone bleue à droite).

Figure 3 : Un plateau Miller court (à gauche) implique une forte pente de commutation, résultant en de faibles pertes dynamiques (zone bleue à droite). V_gp est la tension grille-source du plateau Miller. V_TH est la tension de seuil de grille. I_DS est le courant drain-source. (Source de l'image : Vishay)

Limiter l'énergie d'avalanche et protéger le MOSFET

Au moment de la coupure d'une bobine de stator dans une application d'entraînement de moteur, l'effondrement du champ magnétique maintient le flux de courant, générant une tension d'induction élevée dans le MOSFET, qui se superpose à la tension d'alimentation (V_DD). Cependant, la tension de claquage inverse (V_BR) de la diode de substrat du MOSFET limite cette haute tension. Dans ce que l'on appelle l'effet d'avalanche, le MOSFET convertit l'énergie magnétique sortante en énergie d'avalanche (E_DS) jusqu'à ce que le courant de bobine tombe à zéro. Cela peut entraîner une surchauffe rapide du quartz semi-conducteur.

La Figure 4 montre une commande de bobine simple avec un commutateur MOSFET et les signaux temporels avant, pendant (fenêtre de temps t_AL) et après un seul événement d'avalanche. Si la quantité d'énergie d'avalanche dissipée (E_DS(AL)S) est trop élevée, la chaleur qui en résulte endommagera la structure du semi-conducteur.

Figure 4 : Signaux de temporisation d'un MOSFET avant, pendant (t_AL) et après un seul événement d'avalanche. (Source de l'image : Nexperia)

Les MOSFET LFPAK56D sont conçus pour être très robustes et pour pouvoir résister à plusieurs milliards d'événements d'avalanche sans dommages selon les tests en laboratoire de Nexperia. Compte tenu de l'énergie d'avalanche maximum, les étages de commande de bobine peuvent se passer de diodes de roue libre ou de diodes de fixation de niveau supplémentaires et utiliser uniquement le fonctionnement d'avalanche de ces MOSFET.

Simulation électrothermique en ligne

Pour améliorer le rendement du système, s'appuyer sur un simple facteur de mérite (FOM), tel que le produit R_DS x Q_GD, est insuffisant. Les concepteurs doivent plutôt effectuer une analyse des pertes plus précise qui prend en compte les pertes MOSFET résultant des éléments suivants :

• Conductivité à la mise sous tension
• Pertes à la mise sous tension et hors tension
• Charge et décharge de la capacité de sortie
• Pertes de commutation et continuité de la diode de substrat
• Charge et décharge de la capacité de grille

Pour minimiser les pertes globales, les concepteurs doivent comprendre la relation entre les paramètres MOSFET et l'environnement d'exploitation. À cette fin, Nexperia propose des modèles électrothermiques de précision pour les MOSFET, qui combinent performances électriques et thermiques et représentent tous les comportements MOSFET importants. Les développeurs peuvent utiliser le simulateur en ligne PartQuest Explore ou importer les modèles aux formats SPICE et VHDL-AMS dans la plateforme de simulation de leur choix.

Au moment de la rédaction de cet article, seuls les modèles électriques pour les MOSFET LFPAK56D sont disponibles. C'est pourquoi l'exemple de simulation thermique suivant porte sur un type de MOSFET différent, le BUK7S1R0-40H.

L'expérience interactive IAN50012 Electrothermal models for Power MOSFET simule trois scénarios d'échauffement pour le MOSFET BUK7S1R0-40H après l'activation d'un courant de charge de 36,25 A. La Figure 5 montre les trois configurations de simulation sur la gauche.

Figure 5 : Simulation électrothermique d'un MOSFET à l'aide du simulateur en ligne PartQuest Explore. (Source de l'image : Nexperia)

Dans le cas supérieur, "t_j_no_self_heating", la jonction et la base de montage sont directement couplées à la température ambiante (T_amb) de 0°C sans résistance thermique (R_th). Dans le cas intermédiaire, "t_j_self_heating", la puce est couplée via R_th-j, et T_j augmente d'environ 0,4°C. Le cas inférieur montre une base de montage (mb) couplée à la température ambiante via R_{th_mb} d'une carte FR4 à six couches avec un dissipateur thermique. T_mb (vert) augmente à 3,9°C et T_j (rouge) augmente à 4,3°C.

Conclusion

Les MOSFET LFPAK56D à pertes ultrafaibles offrent un excellent rendement et une excellente densité de puissance dans les convertisseurs à découpage rapide ou les variateurs moteurs. Les considérations de conception thermique de circuits imprimés ainsi que la simulation électrothermique abordées ici montrent comment les concepteurs peuvent surmonter les défis liés aux conceptions robustes, à haut rendement et à espace restreint.