Massimizzare la densità di potenza e le prestazioni con due MOSFET in applicazioni con convertitori a commutazione

I convertitori a commutazione e i driver per motori industriali e automotive richiedono transistor a effetto di campo al silicio metallo-ossido (MOSFET) piccoli, efficienti e capaci di generare un rumore elettrico minimo. Un approccio con due MOSFET contribuisce a soddisfare questi requisiti.

Grazie all'inserimento di due MOSFET in un unico contenitore, se ben progettati questi occupano meno spazio sulla scheda a circuiti stampati (PCB), riducono l'induttanza parassita ed eliminano la necessità di ingombranti e costosi dissipatori di calore, migliorando le prestazioni termiche. Questi dispositivi possono commutare senza interferenze a diverse centinaia di kilohertz, funzionare in modo stabile in un ampio intervallo di temperatura e presentare una bassa corrente di dispersione. Tuttavia, i progettisti devono conoscere a fondo le caratteristiche operative di questi componenti per sfruttarne appieno i vantaggi.

Questo articolo presenta esempi di MOSFET doppi di Nexperia e mostra come utilizzarli per affrontare le sfide di progetti robusti, ad alta efficienza e con vincoli di spazio. Il documento illustra i modi per ottimizzare la progettazione di circuiti e PCB e fornisce suggerimenti sulla simulazione elettrotermica e sull'analisi delle perdite.

Maggiore efficienza ad alta velocità di commutazione

I MOSFET doppi sono adatti a molte applicazioni automotive (AEC-Q101) e industriali, tra cui convertitori a commutazione c.c./c.c., inverter di motori e controllori di elettrovalvole. Queste applicazioni possono utilizzare MOSFET doppi in varie configurazioni, tra cui come coppie di interruttori e topologie a semiponte.

La serie LFPAK56D di Nexperia è un buon esempio di dispositivi a doppio MOSFET. Sono caratterizzati dalla tecnologia con clip in rame di Nexperia, che offre un'eccezionale capacità di corrente, una bassa impedenza del contenitore e un'elevata affidabilità (Figura 1, destra). Queste clip in rame massiccio migliorano la dissipazione del calore dal substrato semiconduttore attraverso le giunzioni saldate alla PCB, in modo che circa il 30% del calore totale rimosso possa dissiparsi attraverso i pin sorgente. Le ampie sezioni trasversali in rame riducono inoltre la dissipazione di potenza ohmica e smorzano la sovraoscillazione, riducendo l'induttanza parassita della linea.

Figura 1: Il contenitore LFPAK56D (a destra) integra due MOSFET indipendenti e utilizza strutture con clip in rame simili al contenitore LFPAK56 a MOSFET singolo (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Come la maggior parte dei componenti destinati ai convertitori a commutazione ad alta tensione, LFPAK56D utilizza la tecnologia di supergiunzione. Questo design riduce la resistenza nello stato On di drain-source (RDSon) e i parametri di carica gate-drain (Q_GD), riducendo al minimo le perdite di potenza. Il funzionamento di due MOSFET sullo stesso substrato riduce ulteriormente la resistenza drain-source.

Come MOSFET a supergiunzione, la serie LFPAK56D ha un'ottima resistenza agli eventi a valanga e ha un'ampia area operativa sicura (SOA). Ad esempio, ciascuno dei MOSFET da 100 V del dispositivo TrenchMOS PSMN029-100HLX ha una RDSon di 29 mΩ, può gestire 68 W e passare fino a 30 A.

La serie LFPAK56D utilizza anche la tecnologia SchottkyPlus di NXP per ridurre il comportamento di picco e la corrente di dispersione. Ad esempio, la RDSon tipica di PSMN014-40HLDX è di 11,4 mΩ e la corrente di dispersione drain-source è estremamente bassa, pari a 10 nA.

Per sfruttare appieno le correnti elevate dei MOSFET, la scheda deve poter dissipare il calore e garantire collegamenti elettrici stabili. Le PCB multistrato con un numero sufficiente di fori di via e tracce di conduttori in rame in grande spessore garantiscono prestazioni termiche elevate.

Evitare la fuga termica

Mentre i MOSFET di potenza completamente accesi sono termostabili, la fuga termica è un rischio quando la corrente di drain (I_D) è bassa.In questo stato operativo, il riscaldamento localizzato tende ad abbassare la tensione di soglia gate-source (V_GS(th)), quindi il dispositivo potrà accendersi più facilmente. In questo modo si crea una situazione di retroazione positiva in cui la corrente aggiuntiva provoca un maggiore riscaldamento e una V_GS(th) ancora più bassa.

La Figura 2 mostra questo effetto per una tensione drain-source (V_DS) costante. All'aumentare di V_GS, si verifica una I_D critica nota come coefficiente termico zero (ZTC). Al di sopra di questa corrente, si ha una retroazione negativa e una stabilità termica (zona blu); al di sotto, la caduta di tensione di soglia domina, dando luogo a punti operativi termoinstabili che possono portare alla fuga termica (zona rossa).

Figura 2: Al di sotto del punto ZTC, il MOSFET può entrare in fuga termica a causa di una caduta di V_GS termoindotta (area rossa). (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Questo effetto riduce la SOA a basse correnti e alte tensioni drain-source. Questo non è un problema significativo per le operazioni di commutazione rapida con una forte pendenza dV/dt. Tuttavia, quando la durata della commutazione aumenta, ad esempio per ridurre le interferenze elettromagnetiche, l'instabilità termica diventa più probabile e potenzialmente pericolosa.

Perdite di commutazione inferiori alle alte frequenze

Quando si sceglie un MOSFET a supergiunzione per applicazioni a commutazione rapida, una bassa Q_GD è essenziale per ridurre significativamente le perdite di commutazione.

Un'elevata perdita di potenza si ha durante la commutazione, quando si verificano contemporaneamente variazioni significative di tensione e corrente tra drain, gate e source. Una bassa Q_GD determina un breve plateau di Miller (Figura 3, sinistra), che porta a una forte pendenza di commutazione (dV_ds/dt) e, in ultima analisi, a una minore perdita di energia dinamica durante l'accensione (Figura 3, area blu a destra).

Figura 3: Un breve plateau di Miller (a sinistra) significa una forte pendenza di commutazione, con conseguenti basse perdite dinamiche (area blu a destra). V_gp è la tensione di gate-source del plateau di Miller; V_TH è la tensione di soglia del gate; I_DS è la corrente di drain-source. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Limitazione dell'energia a valanga e protezione del MOSFET

Quando una bobina di statore si spegne in un'applicazione di azionamento motore, il campo magnetico in abbassamento mantiene il flusso di corrente, generando un'elevata tensione di induzione attraverso il MOSFET che si sovrappone alla tensione di alimentazione (V_DD). Tuttavia, la tensione di rottura inversa (V_BR) del body diode del MOSFET limita questa tensione elevata. Nel cosiddetto effetto a valanga, il MOSFET converte l'energia magnetica in uscita in energia a valanga (E_DS) finché la corrente della bobina non scende a zero. Ciò può surriscaldare rapidamente il cristallo semiconduttore.

La Figura 4 mostra un semplice controllo della bobina con un interruttore MOSFET e i segnali temporali prima, durante (finestra temporale t_AL) e dopo un singolo evento di valanga. Se la quantità di energia dissipata a valanga (E_DS(AL)S) è troppo elevata, il calore risultante danneggia la struttura del semiconduttore.

Figura 4: Segnali temporali di un MOSFET prima, durante (t_AL) e dopo un singolo evento di valanga. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

I MOSFET LFPAK56D sono molto robusti e, secondo i test di laboratorio condotti da Nexperia, possono tollerare diversi miliardi di eventi di valanga senza danneggiarsi. Considerando la massima energia a valanga, gli stadi di pilotaggio delle bobine possono far meno di aggiuntivi diodi a ruota libera o livellatori e utilizzare solo il funzionamento a valanga di questi MOSFET.

Simulazione elettrotermica online

Per migliorare l'efficienza del sistema, non è sufficiente affidarsi a una semplice cifra di merito (FOM), come il prodotto di R_DS x Q_GD. I progettisti devono invece eseguire un'analisi delle perdite più precisa, che tenga conto delle perdite dei MOSFET derivanti da:

• Conduttività all'accensione
• Perdite all'accensione e allo spegnimento
• Carica e scarica della capacità di uscita
• Perdite di continuità e di commutazione del body diode
• Carica e scarica della capacità di gate

Per ridurre al minimo le perdite complessive, i progettisti devono comprendere la relazione tra i parametri del MOSFET e l'ambiente operativo. A tal fine, Nexperia offre modelli elettrotermici di precisione per i MOSFET che combinano prestazioni elettriche e termiche e rappresentano tutti i principali comportamenti dei MOSFET. Gli sviluppatori possono utilizzare il simulatore online PartQuest Explore o importare i modelli in formato SPICE e VHDL-AMS nella loro piattaforma di simulazione preferita.

Al momento, sono disponibili solo i modelli elettrici per i MOSFET LFPAK56D. Pertanto, il seguente esempio di simulazione termica riguarda un altro tipo di MOSFET, il modello BUK7S1R0-40H.

L'esperimento interattivo IAN50012 - Modelli elettrotermici per MOSFET di potenza simula tre scenari di riscaldamento per il MOSFET BUK7S1R0-40H dopo l'attivazione di una corrente di carico di 36,25 A. La Figura 5 mostra le tre configurazioni di simulazione sulla sinistra.

Figura 5: Simulazione elettrotermica di un MOSFET con il simulatore online PartQuest Explore. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Nel caso in alto "t_{j_no_self_heating}", la giunzione e la base di montaggio sono direttamente accoppiate alla temperatura ambiente (T_amb) di 0 °C senza resistenza termica (R_th). Nel caso intermedio, "t_{j_self_heating}", il chip è accoppiato tramite R_th-j e T_j aumenta di circa 0,4 °C. Il caso in basso mostra una base di montaggio (mb) accoppiata alla temperatura ambiente tramite la R_{th_mb} di una scheda FR4 a sei strati con dissipatore. La T_mb (verde) sale a 3,9 °C e la T_j (rossa) sale a 4,3 °C.

Conclusione

I MOSFET LFPAK56D a bassissime perdite offrono un'eccellente efficienza e densità di potenza nei convertitori a commutazione rapida o nei driver per motori. Le considerazioni sulla progettazione di circuiti termici e PCB e la simulazione elettrotermica qui illustrata spiegano come i progettisti possono realizzare progetti robusti e altamente efficienti seppur con vincoli di spazio.