הערכת רכיבי MOSFET‏ להספק סופר-צומת עבור ביצועים ונצילות

רכיבי MOSFET‏ להספק סופר-צומת שלטו ביישומי מיתוג מתח גבוה מזה זמן כה ארוך שמפתה לחשוב שחייבות להיות חלופות טובות יותר. עם זאת, היכולת שלהם להמשיך לספק איזון בין ביצועים, נצילות, יעילות ועלות הופכת אותם להכרחיים באופטימיזציה של תכני הספק באלקטרוניקה עבור יישומים חדשים רבים.

זמינים מסחרית מאז תחילת המאה, MOSFETs על בסיס סיליקון נוצרו על ידי גיבוב שכבות מתחלפות מסוג p ומסוג n של חומר מוליכים-למחצה כדי ליצור צומתי PN שהביאו להפחתת התנגדות מצב-מופעל (_(DS(ON‏R‏) ומטען השער (_g‏Q‏) בהשוואה ל-MOSFET פלאנאריים מסורתיים. יתרונות אלו כומתו בחישוב ספרת האיכות (FOM), כאשר _g‏Q‏ X‏ _(DS(ON‏R‏ = FOM‏.

ה-FOM מכמת כמה התנגדות יש ל-MOSFET כשהוא במצב מופעל וכמה טעינה נדרשת כדי למתג בין מצב מופעל ומצב כבוי.

ה-_g‏Q‏ מספק השוואה נוחה של ביצועי המיתוג, אך לפעמים זה עשוי להיות עם הדגשת-יתר. דוחפי שער מודרניים זמינים כדי לענות על רוב דרישות מטען השער, כך שהמתכננים הרודפים אחרי אופטימיזציה גדולה עוד יותר מסתכנים בהגדלת העלויות שלהם על חשבון שיפור פרמטרים קריטיים אחרים.

תכנון איזון המטען ב-MOSFETs סופר-צומת מאפשר אזורים דקים יותר ועם אילוח (Doping‏) עמוק יותר. הנצילות שלהם בהמרת הספק נובעת מהיכולת להפעיל ולכבות את ה-MOSFET מהר יותר, ובכך להפחית את הפסדי המיתוג. גם בעיות ניהול תרמי מפושטות מכיוון שהנצילות המשופרת מייצרת פחות חום במהלך הפעולה.

מתי או האם להשתמש בהם תלוי, כמובן, בדרישות הספציפיות של היישום. הם נפוצים ביישומים שבהם רצויים נצילות מיתוג מתח גבוה ותכן קומפקטי, כגון ספקי-כוח וממירי AC/DC, דוחפי מנועים בתדר משתנה, מהפכים סולאריים ואחרים.

אל תתעלמו מערכי _rr‏Q‏

גורם נוסף שיש לקחת בחשבון בעת בחירת MOSFET סופר-צומת עבור היישום הוא מטען התאוששות-אחורנית (_rr‏Q‏) - המטען המצטבר בצומת PN כאשר זרם זורם דרך דיודת הגוף של ה-MOSFET במהלך מחזור מיתוג. כאשר הוא גבוה, הוא יכול להוביל לקפיצות מתח חדות ולהפסדים נוספים, ולכן מטען התאוששות נמוך יותר הוא חשוב עבור שיפור היעילות ומזעור הפסדי המיתוג.

אירועים טרנזיינטיים כתוצאה מ-_rr‏Q‏ גבוה יכולים גם ליצור הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ולהשפיע לרעה על רכיבים רגישים ועל תקינות האותות.

הפחתת ה-_rr‏Q‏ מועילה לשיפור הביצועים, במיוחד ביישומים בתדר גבוה שבהם ההשפעות הללו מוגברות, ולהבטחת פעולה אופטימלית ותאימות עם פרמטרי EMI‏. מנקודת המבט של תכן מוצר, מטען נמוך יותר יכול להעניק את היתרונות הבאים:

• הפסדי מיתוג מופחתים ככל שפיזור האנרגיה ממוזער
• נצילות משופרת הודות לניצול אנרגיה טוב יותר
• ביצועים תרמיים משופרים, עם יצירת פחות חום במהלך המיתוג
• הפחתת EMI הודות לקפיצות מתח ו-Ringing‏ מופחתים
• אמינות לטווח ארוך יותר עקב פחות מאמצים במהלך מחזורי המיתוג

בדרך כלל, ככל שתדר היישום גבוה יותר, כך גדלה עדיפות השימוש ב-_rr‏Q‏ נמוך יותר. חשוב גם לקבוע כיצד גורם זה תורם ליצירת חום ביישום ולדרישות הקירור הנובעות מכך.

לאחר שמחליטים על MOSFET פוטנציאלי אחד או יותר, המתכננים יכולים להשתמש בכלי סימולציה כדי ליצור מודל של ה-MOSFET וכיצד ה-_rr‏Q‏ יתנהג ביישום וישפיע על הביצועים שלו. בדיקה ניסיונית עם אוסצילוסקופ ובחון זרם יכולה לייצר מדידות של אירועי מיתוג עם MOSFET מסוים.

התאמת ערכים אלו לצרכים של היישום תלויה במציאת האיזון המתאים לו עם הנצילות, ופרמטרים אחרים כגון ביצועים תרמיים, טרנס-מוליכות, מתח סף ומתח קדומני של הדיודה.

בחירת MOSFET ההספק הנכון

Nexperia מציעה שתי משפחות מוצרי MOSFET סופר-צומת שמטרתן לספק למתכנני מוצרים מגוון של אפשרויות כדי להתאים את השילוב הנכון של ביצועי המיתוג לדרישות יישום שונות.

רכיבי MOSFET‏ V‏ 80‏ ו-V‏ 100‏ NextPower‏ של החברה מתאימים עבור מתכננים המתמקדים ביישומי מיתוג עם נצילות גבוהה ואמינות גבוהה, כגון ספקי-כוח, תכנים תעשייתיים וטלקומוניקציה. ההתקנים מעניקים _rr‏Q‏ הנמוך עד כדי 50 ננו-קולומב (nC‏), עם זרם התאוששות-אחורנית (_rr‏I‏), קפיצות מתח חדות (_Peak‏V‏), ומאפייני Ringing‏ מופחת.

זמינים במארזי מהדק נחושת LFPAK56‏, LFPAK56E‏ ו-LFPAK88‏, ההתקנים מעניקים גמישות חוסכת-מקום מבלי להתפשר על הביצועים התרמיים או האמינות. למארזי LFPAK56‏/LFPAK56E‏ יש חתימת-שטח של 5 מ"מ על 6 מ"מ, או 30 מ"מ^2‏, חיסכון במקום של 81% בהשוואה ל-PAK‏^2‏D‏ עם 163 מ"מ^2‏, ו-57% בהשוואה ל-DPAK‏ עם 70 מ"מ^2‏ (איור 1‏).

איור 1‏: השוואה בין חתימות-השטח של מארז LFPAK56‏ (מימין) עם PAK‏^2‏D‏ (משמאל) ו-DPAK‏. (מקור התמונה: Nexperia)

ה-LFPAK56E (איור 2) הוא גרסה משופרת של ה-LFPAK56 המשיגה התנגדות נמוכה יותר תוך שמירה על אותה חתימת-שטח קומפקטית ומובילה לנצילות משופרת. דוגמה למארז משופר זה הוא ה-PSMN3R9-100YSFX‏, MOSFET‏ תעלת-N‏ V‏ 100‏ mOhm‏ 4.3‏ עם דירוג זרם רצוף של A‏ 120‏. מורשה ל-175°C‏+, הוא מומלץ עבור יישומים לתעשייה ולצרכנים, כולל מיישר סינכרוני AC/DC ו-DC/DC, מתג צד ראשי עבור יישומי DC/DC‏ V‏ 48‏, בקרת מנועי BLDC, מתאמי USB-PD, גשר-מלא וחצי-גשר, כמו גם טופולוגיות Flyback‏ ותהודתיות.

איור 2‏: מארז LFPAQK56E‏ של PSMN3R9-100YSFX‏ ורכיבי MOSFET‏ סופר-צומת V‏ 100‏/80‏ NextPower‏ אחרים. (מקור התמונה: Nexperia)

ה-PSMN2R0-100SSFJ‏ NextPower‏, MOSFET‏ תעלת-N‏ V‏ 100‏, mOhm‏ 2.07‏, 267 אמפר, מגיע במארז LFPAK88‏ עם חתימת-שטח של 8‏ מ"מ על 8 מ"מ. הוא גם מורשה ל-175°C+ ומומלץ עבור יישומים לתעשייה ולצרכנים כגון מיישר סינכרוני AC/DC ו-DC/DC, מתג צד ראשי, בקרת מנועי BLDC, יישומי גשר-מלא וחצי-גשר, וכן הגנת סוללות.

עבור מתכננים המעוניינים לתת עדיפות לביצועים ואמינות גבוהים, ה-NextPowerS3 MOSFETs‏ זמינים בגרסות V‏ 25‏, V‏ 30‏ ו-V‏ 40‏ עם דיודת גוף Schottky-Plus המעניקה _(DS(ON‏R‏ נמוך והציגה יכולת זרם רצוף של עד A‏ 380‏. ה-PSMN5R4-25YLDX‏, לדוגמה, הוא MOSFET‏ רמת לוגיקה mΩ‏ 5.69‏, V‏ 25‏ תעלת-N‏ NextPowerS3‏ במארז LFPAK56‏ סטנדרטי.

טכנולוגיית "Schottky-Plus" של Nexperia מעניקה את ביצועי הנצילות הגבוהה וקפיצות מתח חדות נמוכות המשויכים בדרך כלל עם MOSFETs עם דיודת Schottky או כמו-Schottky‏, אך ללא זרם זליגה גבוה בעייתי, ומעניקה זרם זליגה של <μA‏ 1‏ ב-C‏°‏25‏+.

התקני NextPowerS3 מומלצים עבור מגוון של יישומים, כולל פתרונות DC-ל-DC‏ מובנים עבור שרתים וטלקומוניקציה, מודולי מייצב מתח (VRM‏), מודולי נקודת עומס (POL), העברת הספק (PD‏) עבור V-Core‏, ASIC‏, DDR‏, GPU‏, VGA‏ ורכיבי מערכת, וכן בקרת מנועים עם-מברשות/ללא-מברשות.

התקני NextPowerS3 זמינים גם עם חתימת-שטח LFPAK33‏ של 3.3 מ"מ על 3.3 מ"מ (איור 3), כולל PSMN1R8-30MLHX‏ V‏ 30‏, המתאימים עבור יישומים כגון מייצב Buck‏ סינכרוני, מיישר סינכרוני ביישומי AC/DC ו-DC/DC, בקרת מנועי BLDC (ללא-מברשות), ביחד עם eFuse והגנת סוללות.

איור 3: איור המשווה בין מארז NextPowerS3 LKPAK33 (מימין) לבין מארז DPAK. (מקור התמונה: Nexperia)

סיכום

רכיבי MOSFET להספק סופר-צומת מבוססי-סיליקון הם הכרחיים להשגת איזון בין ביצועים, נצילות, יעילות ועלות הדרושים עבור יישומי אלקטרוניקה להספק חדשים רבים. הפורטפוליו של Nexperia של NextPowerS3 ו-NextPower 80/100 V MOSFETs מציע למתכנני המוצרים מגוון של מאפיינים כדי לעמוד בדרישות אלה, והם זמינים במארזי LFPAK קומפקטיים ומשופרים תרמית עבור צפיפות הספק ואמינות משופרים.