מקסום צפיפות ההספק והביצועים של יישומי ממירים ממותגים עם רכיבי MOSFET כפולים

ממירים ממותגים ודוחפי מנועים לתעשייה ולרכב דורשים טרנזיסטורי אפקט שדה סיליקון תחמוצת מתכת (MOSFET) שהם קטנים, יעילים ומייצרים רעש חשמלי מינימלי. גישת MOSFET כפול עוזרת לעמוד בדרישות אלו.

על ידי הצבת שני MOSFETs במארז יחיד, MOSFETs כפולים המתוכננים היטב תופסים פחות מקום על לוח המעגלים המודפסים (PCB), מפחיתים השראות פרזיטית ומבטלים את הצורך בצלעות קירור מגושמות ויקרות הודות לשיפור הביצועים התרמיים. התקנים כאלה יכולים למתג ללא הפרעות בכמה מאות קילו-הרץ (kHz), לפעול ביציבות בתחום טמפרטורות רחב ולהציג זרם זליגה נמוך. עם זאת, המתכננים חייבים להבין את מאפייני הפעולה שלהם כדי לממש את היתרונות של חלקים אלה.

מאמר זה מציג דוגמאות של MOSFETs כפולים של Nexperia‏ ומראה כיצד המתכננים יכולים להשתמש בהם כדי לעמוד באתגרים של תכנים מוגבלי-מקום חסונים עם נצילות גבוהה. הוא דן בדרכים למטב תכני מעגלים ו-PCB ומספק טיפים על סימולציה אלקטרו-תרמית וניתוח הפסדים.

יותר נצילות במהירות מיתוג גבוהה

MOSFETs כפולים מתאימים ליישומים רבים לרכב (AEC-Q101) ויישומים תעשייתיים, כולל ממירים ממותגים DC/DC, מהפכי מנועים ובקרי שסתומים סולנואידים. יישומים אלה יכולים להשתמש ב-MOSFET כפולים בזוגות מתגים ובטופולוגיות של חצי-גשר, בין יתר התצורות.

סדרת LFPAK56D‏ של Nexperia‏ היא דוגמה ראויה לציון להתקני MOSFET כפולים. הם משתמשים בטכנולוגיית מהדק נחושת של Nexperia, המאפשרת יכולת זרם יוצאת-דופן, אימפדנס מארז נמוך ואמינות גבוהה (איור 1, מימין). מהדקי נחושת סולידיים אלו משפרים את פיזור החום ממצע המוליך-למחצה דרך החיבורים המולחמים לנקודות חיבור של ה-PCB, ומאפשרים לכ-30% מכלל החום שהוסר לזרום דרך פיני המקור. שטחי חתך הנחושת הגדולים גם מורידים את פיזור ההספק האוהמי ומשככים את ה-Ringing‏ על ידי הפחתת השראות הקו הפרזיטית.

איור 1: מארז LFPAK56D (מימין) משלב שני MOSFETs עצמאיים ומשתמשת במבני מהדק נחושת הדומים למארז MOSFET יחיד LFPAK56‏ (משמאל). (מקור התמונה: Nexperia)

כמו רוב החלקים המיועדים עבור ממירים ממותגים במתח גבוה, ה-LFPAK56D משתמש בטכנולוגיית סופר-צומת. תכן זה מקטין את התנגדות "מצב-מופעל" (_(DS(on‏R‏) מרזב-מקור ואת פרמטרי (_GD‏Q‏) וממזער את הפסדי ההספק. הפעלת שני MOSFETs על אותו מצע מפחיתה עוד יותר את התנגדות מרזב-מקור.

בתור MOSFETs סופר-צומת, סדרת LFPAK56D עמידה בפני אירועי מפולת ויש לה שטח פעולה בטוחה רחב (SOA). לדוגמה, לכל אחד מה-MOSFETs‏ 100 וולט בהתקן TrenchMOS‏ PSMN029-100HLX‏ יש _(DS(on‏R‏ של 29 מילי-אוהם (mΩ‏), הוא יכול לטפל ב-68 וואט ויכול להעביר עד 30 אמפר (A‏).

סדרת LFPAK56D משתמשת גם בטכנולוגיית SchottkyPlus‏ של NXP‏ כדי להפחית את התנהגות השיאים ואת זרם הזליגה. לדוגמה, ה-_(DS(on‏R‏ הטיפוסי עבור ה-PSMN014-40HLDX‏ הוא mΩ‏ 11.4‏, וזרם הזליגה מרזב-מקור הוא נמוך ביותר - 10 ננו-אמפר (nA‏).

כדי לנצל באופן מלא את הזרמים הגבוהים של MOSFETs, ה-PCB חייב להיות מתוכנן כדי לפזר חום גבוה ולהבטיח חיבורים חשמליים יציבים. PCBs רבי-שכבות עם מספיק מעברים (Vias‏) ופסים מוליכים גדולים ועבים מנחושת מבטיחים ביצועים תרמיים גבוהים.

מניעת בריחה תרמית

בעוד ש-MOSFET מופעלים-במלואם הם יציבים מבחינה תרמית, בריחה תרמית מהווה סיכון כאשר זרם המרזב (_D‏I‏) נמוך. במצב פעולה זה, חימום מקומי נוטה להוריד את סף מתח מקור-שער _(GS(th‏)V‏), כלומר ההתקן מופעל בקלות רבה יותר. זה יוצר מצב של משוב חיובי שבו הזרם הנוסף גורם ליותר חימום ול-_(GS(th‏V‏ נמוך עוד יותר.

איור 2 מציג אפקט זה עבור מתח מקור מרזב-מקור (_DS‏V‏) קבוע. ככל ש-_GS‏V‏ עולה, קיים _D‏I‏ קריטי המכונה מקדם טמפרטורה אפס (ZTC‏). מעל זרם זה יש משוב שלילי ויציבות תרמית (האזור הכחול); מתחתיו, נפילת מתח הסף שולטת, וכתוצאה מכך נקודות פעולה לא יציבות מבחינה תרמית העלולות להוביל לבריחה תרמית (האזור האדום).

איור 2: מתחת לנקודת ZTC, ה-MOSFET עלול להיכנס לבריחה תרמית עקב נפילה _GS‏V‏ מושרית תרמית (האזור האדום). (מקור התמונה: Nexperia)

אפקט זה מפחית את ה-SOA בזרמים נמוכים ובמתחי מרזב-מקור גבוהים. זה אינו מהווה חשש משמעותי עבור פעולות מיתוג מהירות עם שיפוע dV/dt תלול. עם זאת, ככל שמשך המיתוג גדל, למשל, כדי להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות, אי-היציבות התרמית הופכת להיות יותר קרובה לוודאי ועלולה להיות מסוכנת.

הפסדי מיתוג נמוכים יותר בתדרים גבוהים

בעת בחירת MOSFET צומת-על עבור יישומי מיתוג מהיר, _GD‏Q‏ נמוך הוא חיוני, מכיוון שזה מקטין משמעותית את הפסדי המיתוג.

הפסדי הספק גבוהים מתרחשים במהלך מיתוג כאשר שינויים משמעותיים במתח ובזרם מופיעים בו-זמנית בין המרזב, השער והמקור. _GD‏Q‏ נמוך גורם ל-Miller Plateau‏ קצרה (איור 3, משמאל), המוביל לשיפוע מיתוג תלול (dt‏/_ds‏dV‏) ובסופו של דבר גורם להפסדי אנרגיה דינמיים נמוכים יותר במהלך המיתוג למצב-מופעל (איור 3, האזור הכחול מימין).

איור 3: Miller Plateau‏ קצר (משמאל) פירושו שיפוע מיתוג תלול, וכתוצאה מכך הפסדים דינמיים נמוכים (האזור הכחול מימין). _gp‏V‏ הוא מתח שער-מקור של Miller Plateau‏, _TH‏V‏ הוא מתח סף השער, _DS‏V‏ הוא זרם מרזב-מקור. (מקור התמונה: Vishay)

הגבלת אנרגיית המפולת והגנה על ה-MOSFET

ברגע הכיבוי של סליל הסטטור ביישום דוחף מנועים, השדה המגנטי המתמוטט שומר על זרימת הזרם, ויוצר מתח השראתי גבוה על פני ה-MOSFET המתווסף למתח ההספקה (_DD‏V‏). עם זאת, מתח הפריצה האחורני (_BR‏V‏) של דיודת הגוף MOSFET מגביל מתח גבוה זה. במה שמוכר כאפקט מפולת, ה-MOSFET ממיר את האנרגיה המגנטית הזורמת החוצה לאנרגיית מפולת _DS‏E‏) עד שזרם הסליל נופל לאפס. זה יכול לגרום במהירות להתחממות-יתר של גביש המוליך-למחצה.

איור 4 מציג בקרת סליל פשוטה עם מתג MOSFET ואת אותות הזמן לפני, במהלך (חלון הזמן _AL‏t‏) ואחרי אירוע מפולת בודד. אם כמות אנרגיית המפולת המתפזרת (_DS(AL)S‏E‏) גבוהה מדי, החום שנוצר יזיק למבנה המוליך-למחצה.

איור 4: אותות התזמון של ה-MOSFET לפני, במהלך (_AL‏t‏), ואחרי אירוע מפולת בודד. (מקור התמונה: Nexperia)

רכיבי ה-LFPAK56D MOSFET מתוכננים להיות חסונים ביותר ויכולים לעמוד בכמה מיליארדי אירועי מפולת ללא נזק, על פי בדיקות המעבדה של Nexperia. בהתחשב באנרגיית המפולת המקסימלית, דרגות דוחף הסליל יכולות לוותר על דיודות Freewheeling‏ או הידוק נוספות ולהשתמש רק בפעולת המפולת של MOSFETs אלה.

סימולציה אלקטרו-תרמית מקוונת

כדי לשפר את נצילות המערכת, ההסתמכות על ספרת איכות (FOM) פשוטה, כגון מכפלת _GD‏Q‏ x‏ _DS‏R‏, לא מספיקה. במקום זאת, המתכננים צריכים לבצע ניתוח הפסדים מדויק יותר הכולל הפסדי MOSFET הנובעים מ:

• מוליכות הפעלת המתג
• הפסדי מצב-מופעל ומצב-כבוי
• טעינה ופריקה של קיבוליות היציאה
• הפסדי רציפות ומיתוג של דיודת הגוף
• טעינה ופריקה של קיבוליות השער

כדי למזער את ההפסדים הכוללים, על המתכננים להבין את הקשר בין פרמטרי MOSFET לבין סביבת הפעולה. לשם כך, Nexperia מציעה מודלים אלקטרו-תרמיים מדויקים עבור MOSFETs, המשלבים ביצועים חשמליים ותרמיים ומייצגים את כל התנהגויות ה-MOSFET החשובות. המפתחים יכולים להשתמש בסימולטור המקוון PartQuest Explore‏ או לייבא את המודלים בפורמטי SPICE‏ ו-VHDL-AMS‏ לפלטפורמת הסימולציה המועדפת עליהם.

בעת כתיבת שורות אלה, רק המודלים החשמליים זמינים עבור LFPAK56D MOSFETs. לכן, דוגמה הסימולציה התרמית הבאה עוסקת בסוג MOSFET שונה, ה-BUK7S1R0-40H‏.

הניסוי האינטראקטיבי מודלים אלקטרו-תרמיים עבור MOSFET‏ להספק IAN50012‏ מדמה שלושה תרחישי התחממות עבור BUK7S1R0-40H MOSFET לאחר הפעלת זרם עומס של A‏ 36.25‏. איור 5 מציג את שלוש תצורות הסימולציה משמאל.

איור 5: מוצגת סימולציה אלקטרו-תרמית של MOSFET באמצעות הסימולטור המקוון PartQuest Explore. (מקור התמונה: Nexperia)

בתצורה העליונה, "no_self_heating‏_j‏t‏", הצומת ובסיס ההרכבה מצומדים ישירות לטמפרטורת הסביבה (_amb‏T‏) של 0°C ללא התנגדות תרמית (_th‏R‏). בתצורה האמצעית, "self_heating_‏_j‏t‏", השבב מצומד דרך _th-j‏R‏, ו-_j‏T‏ עולה בערך ב-0.4°C‏. התצורה התחתונה מציגה בסיס הרכבה (mb) המצומד לטמפרטורת הסביבה דרך ה-_{th_mb‏}R‏ של לוח FR4 בן שש שכבות עם צלעות-קירור. _mb‏T‏ (ירוק) עולה ל-3.9°C‏ ו-_j‏T‏ (אדום) עולה ל-4.3°C‏.

סיכום

רכיבי LFPAK56D MOSFET עם הפסדים אולטרה-נמוכים מספקים נצילות וצפיפות הספק מצוינים בממירים או דוחפי מנועים עם מיתוג מהיר. השיקולים התרמיים של תכן המעגלים וה-PCB והסימולציה האלקטרו-תרמית הנדונה כאן מדגימים כיצד המתכננים יכולים להתגבר על האתגרים של תכנים מוגבלי-מקום חסונים עם נצילות גבוהה.