השתמשו בתהליך MOSFET מתקדם עבור צפיפות הספק ואמינות גבוהות יותר

מתכנני ספקי כוח עבור יישומים כגון ממירי DC/DC, בקרי מנועים, מיתוג עומסים, מרכזי נתונים וציוד תקשורת מתמודדים ללא הרף עם אתגרים להקטין את חתימת-השטח של התכנים שלהם כדי להגדיל את צפיפות ההספק. עם זאת, צפיפות הספק גבוהה יותר דורשת התקנים עם פיזור חום מינימלי כדי לשמור על טמפרטורת הפעולה בתוך גבולותיה ולתמוך באמינות. השגת מטרה זו דורשת התקני מיתוג אקטיביים שהם לא רק קטנים יותר, אלא גם בעלי הפסדים נמוכים יותר, מה שמאפשר להם לפעול בנצילות גבוהה יותר.

בעת בחירת התקני מיתוג מתאימים, על המתכננים לשקול היטב מאפיינים כגון גודל, התנגדות מצב-מופעל, מתח פריצה, מהירות מיתוג ומטען התאוששות-אחורנית.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של דרישות התכן עבור ספקי כוח המשמשים ביישומים הרלוונטיים. לאחר מכן הוא מציג טכנולוגיית תהליך MOSFET מתקדמת של Toshiba‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהתקנים המבוססים על טכנולוגיה זו כדי לעמוד בדרישות אלו.

כיצד מתפתחות דרישות התכן של ספקי כוח

התקנים אלקטרוניים הופכים לקטנים יותר ביישומים שונים, כולל תקשורת, רכב, אינטרנט של דברים (IoT), אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) התקנים לבישים. מתכנני מערכות אלו דורשים ספקי כוח ממותגים (SMPS) בגדלים קטנים יותר עם צפיפות הספק גבוהה יותר. השגת צפיפות הספק גבוהה יותר זו דורשת רכיבים קטנים ויעילים יותר, המאפשרים טמפרטורת פעולה פנימית נמוכה יותר ותומכים באמינות תכן גבוהה.

הרכיבים האקטיביים הנפוצים ביותר ב-SMPS הם מתגי MOSFET, הנמצאים הן בצד הראשוני או צד המתח הגבוה, והן במעגלים השניוניים בצד המתח הנמוך (איור 1).

איור 1: מוצג רכיב SMPS המשתמש בטרנזיסטורי MOSFET במתח נמוך כמיישר סינכרוני במעגל הצד השניוני; טרנזיסטורי MOSFET למתח גבוה יוצרים דרגת מתג גשר-מלא בצד הראשוני. (מקור התמונה: Toshiba Semiconductor and Storage)

הצד הראשוני של ה-SMPS פועל בדרך כלל במתח גבוה. לדוגמה, בהספקה הפועלת מקו כוח, טרנזיסטורי MOSFET הראשוניים מיישרים את מתח הקו. הצד השניוני פועל בדרך כלל במתח נמוך יותר; זהו אזור היישום המיועד עבור טרנזיסטורי MOSFET במתח נמוך.

נצילות גבוהה והפסדים נמוכים

נצילות גבוהה בספק כוח מושגת על ידי מזעור הפסדי ההספק. הפסדים הקשורים להתקני מוליכים-למחצה אקטיביים כוללים הפסדי הולכה, מיתוג והפסדי דיודת גוף. הפסדים אלה מתרחשים בזמנים שונים במהלך מחזור הפעולה של ההתקן (איור 2).

איור 2: מחזור הפעולה של מתג MOSFET (משמאל) כולל את אינטרוולי המעבר, מצב-מופעל ומצב-מופסק (מימין), כאשר לכל אחד מקור הפסדי הספק משלו. (מקור התמונה: Toshiba Semiconductor and Storage)

רכיבי MOSFET ב-SMPS פועלים באחד משני מצבים, מופעל או מופסק. מצב ההתקן משתנה בהתאם למתח שער-למקור (_GS‏V‏). כאשר ההתקן הוא במצב-מופעל, מתח מרזב-למקור (_GS‏V‏) הוא ברמה נמוכה. במצב-מופעל, זרם הניקוז-למקור (_DS‏I‏) דרך ההתקן נקבע על ידי אימפדנס העומס והתנגדות הניקוז-למקור במצב-מופעל (_(DS(ON‏R‏). עבור עומס אינדוקטיבי, הזרם עולה באופן ליניארי בזמן שהוא טוען את השדה המגנטי של המשרן. במהלך מצב-מופעל, הזרם דרך התנגדות הערוץ מייצר הפסדי הולכה שהם פרופורציונליים לריבוע של _DS‏I‏ ו-_(DS(ON‏R‏). כאשר ההתקן במצב-מופסק, ה-_DS‏V‏ גבוה, וה-_DS‏I‏ מייצג את זרם הזליגה של ההתקן, הקובע את הפסדי ההולכה במצב-מופסק.

במהלך המעברים בין המצבים, גם המתח וגם הזרם אינם אפס בו-זמנית, וההספק מתפזר בהתקן הוא פרופורציונלי למתח, זרם ותדר המיתוג. אלו הם הפסדי המיתוג.

הפסדי ההתאוששות נגרמים כתוצאה מהתאוששות אחורנית של דיודת גוף ה-MOSFET כאשר היא עוברת ממצב מוליך למצב לא-מוליך. יש להסיר את המטען השיורי בצומת PN במהלך זמן זה, וכתוצאה מכך נוצרת עלייה חדה בזרם ההתאוששות האחורנית ולהפסדי ההספק הנלווים אליו. ההפסד פרופורציונלי למטען ההתאוששות האחורנית של ההתקן (_rr‏Q‏), אשר קובע את זמן ההתאוששות האחורנית.

הפסדי ההספק הכוללים של ההתקן הם סכום כל הרכיבים הללו.

כיצד מבנה תעלה מאפשר התקנים קומפקטיים יותר

המבנה הפיזי של MOSFET משפיע על גודלו ומידותיו של ההתקן. מבנה MOSFET תעלה (איור 3) הוא המבנה הקומפקטי ביותר, המציע את צפיפות הערוצים הגבוהה ביותר תוך הפחתת ה-_(DS(ON‏R‏.

איור 3: למבנה MOSFET תעלה יש זרימת זרם אנכית, וכתוצאה מכך חתימת-שטח קטנה יותר. (מקור התמונה: Toshiba Semiconductor and Storage)

רכיבי MOSFET פלאנאריים קונבנציונליים משתמשים בזרימת זרם אופקית; תהליך שער-תעלה יוצר ערוץ שער אנכי בצורת U. זרימה אנכית זו מפחיתה את חתימת-השטח של ההתקן, ומאפשרת יצירת התקנים רבים יותר על כל פרוסה. המבנה גם מקטין את ה-_(DS(ON‏R‏. בנוסף, צפיפות הפריסה הגבוהה יותר מאפשרת חיבור מקבילי של מספר התקנים, מה שמפחית עוד יותר את התנגדות מצב-מופעל. הגודל הקטן יותר גם מפחית את הקיבוליות בין-האלקטרודות, מה שמאפשר מיתוג מהיר יותר ופעולה בתדר גבוה יותר.

הפסדי מיתוג הם גם פונקציה של משך זמן אזור המעבר. משך הזמן נקבע על ידי הקיבוליות הפרזיטית של ההתקן, הדורשת העברת מטען לפני שניתן לשנות את מצב ה-MOSFET. מטען השער הכולל (_g‏Q‏) הוא כמות המטען הדרושה כדי לשנות את פוטנציאל השער למתח הייעודי שלו. הפחתת הפסדי המיתוג דורשת קיצור זמן המיתוג על ידי הקטנת ה-_g‏Q‏. המכפלה של _(DS(ON‏R‏ ו-_g‏Q‏ היא ספרת איכות נפוצה עבור MOSFET, המציינת את נצילות ההתקן על ידי שילוב הפסדי הולכה, שהם פרופורציונליים ל-_(DS(ON‏R‏, והפסדי המיתוג, שהם ביחס הפוך ל-_g‏Q‏. ביצועים טובים יותר מצוינים על ידי ערך נמוך יותר עבור המכפלה של _g‏Q‏ *‏ _(DS(ON‏R‏.

מאחר והפסדי המיתוג כוללים מונח עבור הפסדי ההתאוששות האחורנית של דיודת הגוף, המכפלה של _(DS(ON)‏R‏ ו-_rr‏Q‏ תורמת להבנת ההשפעה האינדיבידואלית של הפסדי הולכה ומיתוג. למרות שהמכפלה של _(DS(ON)R‏ ו-_rr‏Q‏ אינה ספרת איכות מקובלת, היא מעניקה מבט אחר להפסדי ההספק הכולל של MOSFET.

MOSFETs‏ U-MOS 11-H‏ של Toshiba‏

תהליך U-MOS11-H‏ של Toshiba‏, המבוסס על מבנה תעלה משופר, מספק מוצרי MOSFET עם _(DS(ON‏R‏ נמוך יותר עבור הפחתת הפסדי הולכה ושיפור מאפייני מיתוג כלליים הודות ל-_g‏Q‏ ו-_r‏r‏Q‏ נמוכים יותר, ההופכים אותו למתאים ביותר עבור יישומים במתח נמוך ועם נצילות גבוהה, כגון SMPS, דוחפי מנועים וספקי כוח לשרתים.

ה-MOSFET‏ TPH2R70AR5-LQ‏ מדורג ל-V‏ 100‏ והוא מדגים את השיפורים בתהליך U-MOS11-H. בהשוואה להתקן אקוויוולנטי מתהליך קודם, ה-TPH2R70AR5 מציע _(DS(ON‏R‏ נמוך ב-8% בערך ו-_g‏Q‏ נמוך יותר ב-37%. ספרת האיכות _g‏Q‏ *‏ _(DS(ON‏R‏ המתקבלת נמוכה יותר ב-%‏42‏.

הפסדי ההתאוששות האחורנית ממוזערים באמצעות טכנולוגיית בקרת אורך-חיים, אשר מציגה פגמים המושרים על ידי אלומת יונים במוליך-למחצה כדי להגביר את מהירות המיתוג ולההקטין את ה-_rr‏Q‏. ה-_rr‏Q‏ משופר ב-38%, ומכפלת _rr‏Q‏ *‏ _(DS(ON‏R‏ המתקבלת מופחתת ב-43%. ספרת איכות נמוכה יותר זו מציינת הפסדי הספק נמוכים יותר, נצילות גבוהה יותר וצפיפות הספק גבוהה יותר.

ה-TPH2R70AR5-LQ יכול לטפל במתח ניקוז-מקור מקסימלי של V‏ 100‏, זרמי ניקוז של A‏ 22‏ בטמפרטורות סביבה ועד A‏ 190‏ עם קירור (טמפרטורת מארז של 25°C+).

ה-_(DS(ON‏R‏ הוא mΩ‏ 2.7‏, במקרה הגרוע ביותר, עבור זרם ניקוז של A‏ 50‏ ודחיפת שער של V‏ 10‏; ה-_(DS(ON‏R‏ הוא mΩ‏ 3.6‏, במקרה הגרוע ביותר, עבור אות דחיפת שער של V‏ 8‏. _g‏Q‏ הוא בדרך כלל nC‏ 52‏ עם דחיפת שער של V‏ 10‏, וה-_rr‏Q‏ הטיפוסי הוא nC‏ 55‏.

ה-TPH2R70AR5-LQ מגיע במארז (SOP Advance(N‏ להרכבה משטחית בגודל 5.15 מ"מ × 6.1 מ"מ × 1 מ"מ (איור 4), המעניק תאימות הרכבה מצוינת עם תקני התעשייה.

איור 4: מוצגים בו מבט על מארז (SOP Advance(N (משמאל) וחיבורי המעגל הפנימיים עבור ה-TPH2R70AR5-LQ (מימין). (מקור התמונה: Toshiba Semiconductor and Storage)

גודל מארז זה מתאים לדירוג _DS‏V‏ המקסימלי V‏ 100‏ של ה-MOSFET‏. להתקנים במתח נמוך יש מידות מארז קטנות יותר עקב דרישות המקום הקטנות יותר.

התמיכה של Toshiba‏ במוצר זה כוללת מודל בדירוג G0 SPICE‏ מהיר המסייע למתכננים לאמת במהירות את תפקוד המעגל. הם גם מציעים מודל בדירוג G2 SPICE‏ מדויק יותר הכולל ניתוח טרנזיינטים.

סיכום

רכיב MOSFET במתח נמוך TPH2R70AR5-LQ של Toshiba מתוכנן במיוחד עבור שימוש בצד השניוני של SMPS. הוא משתמש במבנה תא חדשני המפחית את הפסדי ההספק ומשפר את מאפייני המיתוג של הטרנזיסטור, תוך שהוא מאפשר תכנון התקני הספק בעלי צפיפות הספק גבוהה ואמינות עבור יישומים מודרניים.