Utilizzare un processo MOSFET avanzato per una maggiore densità di potenza e affidabilità

I progettisti di alimentatori per applicazioni come i convertitori c.c./c.c., i controlli dei motori, la commutazione dei carichi, i data center e le apparecchiature di comunicazione devono continuamente ridurre l'ingombro dei loro progetti per aumentare la densità di potenza. Tuttavia, una maggiore densità di potenza richiede dispositivi con una dissipazione di calore minima per mantenere la temperatura operativa entro i limiti e supportare l'affidabilità. Per raggiungere questo obiettivo sono necessari dispositivi di commutazione attivi non solo più piccoli, ma anche con perdite inferiori e funzionanti con efficienze più elevate.

Per scegliere i dispositivi di commutazione adatti, i progettisti devono considerare attentamente caratteristiche come le dimensioni, la resistenza di stato, la tensione di rottura, la velocità di commutazione e la carica di recupero inverso.

Questo articolo fornisce una breve panoramica dei requisiti di progettazione degli alimentatori utilizzati nelle applicazioni più importanti. Presenta quindi una tecnologia di processo MOSFET avanzata di Toshiba e mostra come i dispositivi basati su questa tecnologia possano soddisfare questi requisiti.

Come si evolvono i requisiti di progettazione degli alimentatori

I dispositivi elettronici stanno diventando sempre più piccoli in diverse applicazioni, tra cui le comunicazioni, l'automotive, l'Internet delle cose (IoT), l'Industrial IoT (IIoT) e i dispositivi indossabili. I progettisti di questi sistemi richiedono alimentatori a commutazione (SMPS) di dimensioni ridotte e con una maggiore densità di potenza. Per ottenere questa maggiore densità di potenza sono necessari componenti più piccoli e più efficienti, che consentono di ridurre la temperatura interna di funzionamento e di ottenere un'elevata affidabilità del progetto.

I componenti attivi più comuni in un SMPS sono gli interruttori MOSFET, che si trovano sia nel lato primario o ad alta tensione, sia nei circuiti secondari a bassa tensione (Figura 1).

Figura 1: Un SMPS che utilizza MOSFET a bassa tensione come raddrizzatore sincrono nel circuito secondario; i MOSFET ad alta tensione formano uno stadio di commutazione a ponte intero sul lato primario. (Immagine per gentile concessione di Toshiba Semiconductor and Storage)

Il lato primario dell'SMPS funziona tipicamente ad alta tensione. Ad esempio, negli alimentatori su linee elettriche, i MOSFET primari raddrizzano la tensione di rete. Il lato secondario funziona tipicamente a una tensione inferiore; questo è il campo di applicazione previsto per i MOSFET a bassa tensione.

Altissimi livelli di efficienza e basse perdite di potenza

L'alta efficienza di un alimentatore si ottiene riducendo al minimo le perdite di potenza. Le perdite associate ai dispositivi a semiconduttore attivi comprendono le perdite di conduzione, di commutazione e di body diode. Queste perdite si verificano in diversi momenti del ciclo operativo del dispositivo (Figura 2).

Figura 2: Il ciclo operativo di un interruttore MOSFET (a sinistra) comprende gli intervalli di accensione, spegnimento e transizione (a destra), ciascuno con la propria fonte di perdita di potenza. (Immagine per gentile concessione di Toshiba Semiconductor and Storage)

I MOSFET in un SMPS funzionano in due stati, ON o OFF. Lo stato del dispositivo cambia in base alla tensione gate-source (V_GS). Quando il dispositivo è acceso, la tensione drain-source (V_DS) è a un livello basso. Nello stato acceso, la corrente drain-source (I_DS) attraverso il dispositivo è determinata dall'impedenza di carico e dalla resistenza drain-source dello stato acceso (R_DS(ON)). Per un carico induttivo, la corrente aumenta linearmente mentre carica il campo magnetico dell'induttore. Durante il tempo di accensione, la corrente attraverso la resistenza del canale genera perdite di conduzione proporzionali al quadrato di I_DS e R_DS(ON). Quando il dispositivo è spento, la V_DS è alta e la I_DS rappresenta la corrente di dispersione del dispositivo, che determina le perdite di conduzione nello stato spento.

Durante le transizioni tra gli stati, sia la tensione che la corrente sono contemporaneamente non nulle e la potenza viene dissipata nel dispositivo in proporzione alla tensione, alla corrente e alla frequenza di commutazione. Queste sono le perdite di commutazione.

Le perdite di recupero sono causate dal recupero inverso del body diode del MOSFET quando viene commutato da uno stato di conduzione a uno di non conduzione. La carica residua nella giunzione PN deve essere rimossa durante questo periodo, con conseguente picco di corrente di recupero inverso e relativa perdita di potenza. La perdita è proporzionale alla carica di recupero inverso del dispositivo (Q_rr), che determina il tempo di recupero inverso.

La perdita di potenza totale del dispositivo è la somma di tutte queste componenti.

La struttura Trench-gate porta a dispositivi più compatti

La struttura fisica di un MOSFET influisce sulle dimensioni del dispositivo. La struttura Trench-gate del MOSFET (Figura 3) è la più compatta e offre la massima densità di canali, riducendo al contempo la R_DS(ON).

Figura 3: La struttura Trench-gate del MOSFET presenta un flusso di corrente verticale, con conseguente ingombro ridotto. (Immagine per gentile concessione di Toshiba Semiconductor and Storage)

I MOSFET planari convenzionali utilizzano un flusso di corrente orizzontale, mentre il processo Trench-gate forma un canale verticale a forma di U. Questo flusso verticale riduce l'ingombro del dispositivo, consentendo di creare più dispositivi su ciascun wafer. La struttura riduce anche la R_DS(ON). Inoltre, la maggiore densità di layout consente il collegamento in parallelo di più dispositivi, riducendo ulteriormente la resistenza nello stato On. Le dimensioni ridotte riducono inoltre la capacità interelettrodica, per una commutazione più rapida e un funzionamento a frequenza più elevata.

Le perdite di commutazione sono anche una funzione della durata della regione di transizione. Tale durata è regolata dalle capacità parassite del dispositivo, che richiedono un trasferimento di carica prima che lo stato del MOSFET possa essere modificato. La carica totale del gate (Q_g) è la quantità di carica necessaria per modificare il potenziale del gate alla tensione designata. Per ridurre le perdite di commutazione è necessario ridurre il tempo di commutazione diminuendo Q_g. Il prodotto di R_DS(ON) e Q_g è una cifra di merito comune per un MOSFET, che indica l'efficienza di un dispositivo combinando le perdite di conduzione, che sono proporzionali a R_DS(ON), e le perdite di commutazione, che sono inversamente proporzionali a Q_g. Le prestazioni migliori sono indicate da un valore inferiore del prodotto R_DS(ON) *Q_g.

Poiché le perdite di commutazione includono un termine per la perdita di recupero inverso del body diode, il prodotto di R_DS(ON) e Q_rr contribuisce a comprendere l'impatto individuale delle perdite di conduzione e di commutazione. Sebbene il prodotto di R_DS(ON) e Q_rr non sia una cifra di merito abituale, fornisce un'altra finestra sulla perdita di potenza totale di un MOSFET.

MOSFET U-MOS 11-H di Toshiba

Il processo U-MOS11-H di Toshiba, basato su una struttura Trench-gate migliorata, offre prodotti MOSFET con R_DS(ON) più bassa per ridurre le perdite di conduzione e caratteristiche di commutazione complessive migliori grazie a Q_g e Q_rr inferiori, che lo rendono adatto ad applicazioni a bassa tensione e ad alta efficienza, come SMPS, comandi di motori e alimentatori per server.

Il MOSFET TPH2R70AR5-LQ di Toshiba ha una tensione nominale di 100 V ed è un esempio dei miglioramenti apportati al processo U-MOS11-H. Rispetto a un dispositivo equivalente realizzato con un processo precedente, TPH2R70AR5 offre una R_DS(ON) dell'8% circa inferiore e una Q_g del 37% inferiore. La cifra di merito R_DS(ON) * Q_g risultante è del 42% inferiore.

Le perdite di recupero inverso sono ridotte al minimo utilizzando la tecnologia di controllo della vita utile, che introduce difetti indotti da fasci di ioni nel semiconduttore per aumentare la velocità di commutazione e ridurre la Q_rr. La QQ_rr è aumentata del 38%, e il prodotto R_DS(ON) * Q_rr risultante si è ridotto del 43%. Queste cifre di merito inferiori indicano una minore perdita di potenza, una maggiore efficienza e una maggiore densità di potenza.

TPH2R70AR5-LQ può gestire una tensione massima di drain-source di 100 V e correnti di drain fino a 22 A in ambiente e fino a 190 A con raffreddamento (temperatura del case di +25 °C).

La R_DS(ON) è di 2,7 mΩ, nel caso peggiore, per una corrente di drain di 50 A e un pilotaggio del gate di 10 V; la R_DS(ON) è di 3,6 mΩ, nel caso peggiore, per un segnale di pilotaggio del gate a 8 V. La Q_g è tipicamente di 52 nC con un pilotaggio del gate di 10 V, mentre la Q_rr tipica è di 55 nC.

TPH2R70AR5-LQ è disponibile in un contenitore SOP Advance(N) a montaggio superficiale di 5,15 × 6,1 × 1 mm (Figura 4), che offre un'eccellente compatibilità di montaggio con gli standard del settore.

Figura 4: Vista del contenitore SOP Advance(N) (a sinistra) e delle connessioni del circuito interno di TPH2R70AR5-LQ (a destra). (Immagine per gentile concessione di Toshiba Semiconductor and Storage)

Le dimensioni del contenitore sono adeguate ai valori massimi di V_DS del MOSFET pari a 100 V. I dispositivi a tensione inferiore hanno dimensioni più ridotte per via dei requisiti di spazio minori.

Il supporto di Toshiba per questo prodotto include un modello di grado G0 SPICE per aiutare i progettisti a verificare rapidamente il funzionamento del circuito. Inoltre, è disponibile un modello di grado G2 SPICE più preciso che include l'analisi dei transitori.

Conclusione

Il MOSFET a bassa tensione TPH2R70AR5-LQ di Toshiba è progettato specificamente per l'uso sul lato secondario di un SMPS. Utilizza una nuova struttura di celle che riduce le perdite di potenza e migliora le caratteristiche di commutazione del transistor, consentendo di progettare dispositivi con elevata densità di potenza e affidabilità per le applicazioni moderne.