การประเมิน MOSFET กำลังแบบ Superjunction เพื่อประสิทธิภาพและประสิทธิภาพ

พาวเวอร์ MOSFET แบบซุปเปอร์จังค์ชัน มีบทบาทสำคัญต่อการใช้งานสวิตชิ่งไฟฟ้าแรงสูงมานานจนเกิดการพิจารณาว่าน่าจะต้องมีทางเลือกอื่นที่ดีกว่านี้ อย่างไรก็ตาม ความสามารถของอุปกรณ์เหล่านี้ในการส่งมอบความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ และความคุ้มทุน ทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบพลังงานอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการใช้งานใหม่ ๆ มากมาย

มีวางจำหน่ายทั่วไปตั้งแต่ช่วงเปลี่ยนศตวรรษ MOSFET ซุปเปอร์จังค์ชันที่ใช้ซิลิคอนถูกสร้างขึ้นโดยการซ้อนชั้น p-type และ n-type ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ PN ซึ่งส่งผลให้ความต้านทานในสถานะลดลง (R_DS(ON)) และค่าเกต (Q_g) เมื่อเปรียบเทียบกับ MOSFET แบบระนาบแบบดั้งเดิม ประโยชน์เหล่านี้ถูกวัดค่าเป็นปริมาณในรูปแบบการคำนวณ Figure of Merit (FOM) โดยที่ FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM จะวัดปริมาณความต้านทานที่ MOSFET มีเมื่อเปิดและต้องใช้ประจุเท่าใดในการเปิดและปิด

Q_g ให้การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการสลับที่สะดวก แต่บางครั้งก็อาจมีการเน้นมากเกินไป ตัวขับเกตที่ทันสมัยพร้อมให้ตอบสนองความต้องการค่าธรรมเนียมเกตส่วนใหญ่ ดังนั้นนักออกแบบที่ไล่ตามความเสี่ยงในการปรับค่าให้เหมาะสมที่มากยิ่งขึ้น จะส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มสูงขึ้นโดยต้องเสียค่าใช้จ่ายในการปรับปรุงพารามิเตอร์ที่สำคัญอื่น ๆ ตามมา

การออกแบบสมดุลประจุใน MOSFET แบบซุปเปอร์จังค์ชันช่วยให้พื้นที่บางลงและมีสารเจือปนหนักมากขึ้น ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเกิดจากความสามารถในการเปิดและปิด MOSFET ได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยลดการสูญเสียการสลับ ปัญหาการจัดการระบายความร้อนยังง่ายขึ้น เนื่องจากประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุงจะสร้างความร้อนน้อยลงระหว่างการทำงาน

แน่นอนว่าเมื่อใดหรือจะใช้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งาน เป็นที่นิยมในการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพการสลับแรงดันไฟฟ้าสูงและการออกแบบที่กะทัดรัด เช่น แหล่งจ่ายไฟและตัวแปลงไฟ AC/DC มอเตอร์ไดรฟ์ความถี่แปรผัน อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ และอื่น ๆ

อย่ามองข้ามค่า Q_rr

อีกปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อเลือก MOSFET แบบซุปเปอร์จังค์ชันสำหรับการใช้งานเป็นการกู้คืนแบบย้อนกลับ (Q_rr)—ประจุที่สร้างขึ้นในจุดเชื่อมต่อ PN เมื่อกระแสไหลผ่านไดโอดของตัว MOSFET ในระหว่างรอบการสวิตชิ่ง เมื่อค่าสูงอาจนำไปสู่แรงดันไฟกระชากและการสูญเสียเพิ่มเติม ดังนั้นการชาร์จที่ลดลงจึงเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพและลดการสูญเสียในสวิตช์ให้เหลือน้อยที่สุด

เหตุการณ์ชั่วคราวเนื่องจาก Q_rr สูงนี้ยังสามารถสร้างสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ซึ่งส่งผลเสียต่อส่วนประกอบที่มีความละเอียดอ่อนและความสมบูรณ์ของสัญญาณได้อีกด้วย

การลด Q_rr มีประโยชน์สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานความถี่สูงซึ่งมีการขยายผลกระทบเหล่านี้ และเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เหมาะสมที่สุดและสอดคล้องกับพารามิเตอร์ EMI จากมุมมองของการออกแบบผลิตภัณฑ์ ค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่าสามารถให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:

• ลดการสูญเสียการสลับเนื่องจากการกระจายพลังงานลดลง
• เพิ่มประสิทธิภาพเนื่องจากการใช้พลังงานที่ดีขึ้น
• ปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนโดยลดการสร้างความร้อนระหว่างการสลับ
• บรรเทา EMI ด้วยการลดแรงดันไฟกระชากและเสียงกริ่งที่ลดลง
• ความน่าเชื่อถือในระยะยาวเนื่องจากความเครียดน้อยลงระหว่างรอบการสลับ

โดยทั่วไป ยิ่งความถี่ของการทำงานสูงเท่าใด ลำดับความสำคัญของการใช้ Q_rr ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าปัจจัยนี้มีส่วนทำให้เกิดความร้อนในการใช้งานอย่างไรและความต้องการในการทำความเย็นที่ตามมาอย่างไร

หลังจากตัดสินใจซื้อ MOSFET ที่มีศักยภาพตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปแล้ว นักออกแบบสามารถใช้เครื่องมือจำลองเพื่อสร้างแบบจำลอง MOSFET และวิธีการทำงานของ Q_rr และส่งผลต่อประสิทธิภาพของการทำงานอย่างไร การทดสอบเชิงทดลองด้วยออสซิลโลสโคปและโพรบกระแสไฟฟ้าสามารถสร้างการวัดเหตุการณ์การสลับด้วย MOSFET เฉพาะได้

การจับคู่ค่าเหล่านี้กับความต้องการของการใช้งานนั้นขึ้นอยู่กับการหาสมดุลที่เหมาะสมกับประสิทธิภาพ และพารามิเตอร์อื่น ๆ เช่น ประสิทธิภาพเชิงความร้อน ทรานส์คอนดักเตอร์ แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ และแรงดันไปข้างหน้าของไดโอด

การเลือก MOSFET กำลังที่เหมาะสม

Nexperia นำเสนอกลุ่มผลิตภัณฑ์พาวเวอร์ MOSFET แบบซุปเปอร์จังค์ชัน สองตระกูลที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์มีตัวเลือกมากมายเพื่อให้ตรงกับการผสมผสานที่ลงตัวระหว่างประสิทธิภาพการสลับกับข้อกำหนดการใช้งานต่าง ๆ

NextPower 80 V และ 100 V MOSFET ของบริษัทเหมาะสำหรับนักออกแบบที่เน้นการใช้งานสวิตช์ประสิทธิภาพสูงและความน่าเชื่อถือสูง เช่น แหล่งจ่ายไฟ การออกแบบอุตสาหกรรม และโทรคมนาคม อุปกรณ์จะให้ Q_rr ต่ำถึง 50 นาโนคูลอมบ์ (nC) โดยมีกระแสการกู้คืนแบบย้อนกลับต่ำกว่า (I_rr) แรงดันไฟกระชากต่ำลง (V_peak) และลดคุณสมบัติเสียงเรียกเข้า

มีจำหน่ายในบรรจุภัณฑ์คลิปทองแดง LFPAK56, LFPAK56E และ LFPAK88 อุปกรณ์เหล่านี้ให้ความยืดหยุ่นในการประหยัดพื้นที่โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนหรือความน่าเชื่อถือ บรรจุภัณฑ์ LFPAK56/LFPAK56E มีขนาด 5 mm x 6 mm หรือ 30 mm² ประหยัดพื้นที่ถึง 81% เมื่อเทียบกับ D²PAK ที่ 163 mm² และ 57% เมื่อเทียบกับ DPAK ที่ 70 mm² (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบแพ็คเกจ LFPAK56 (ขวา) กับ D² PAK (ซ้าย) และขนาด DPAK (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

LFPAK56E (รูปที่ 2) เป็นเวอร์ชันปรับปรุงของ LFPAK56 ซึ่งมีความต้านทานลดลงแต่ยังคงขนาดที่กะทัดรัดเหมือนเดิม ส่งผลให้ประสิทธิภาพดีขึ้น ตัวอย่างในแพ็คเกจที่ปรับปรุงนี้คือPSMN3R9-100YSFX , 100 V, 4.3 mOhm, N-channel MOSFET ที่มีพิกัดกระแสต่อเนื่องที่ 120 A มีคุณสมบัติอยู่ที่ +175°C แนะนำสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและผู้บริโภค รวมถึงวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสใน AC/DC และ DC/DC สวิตช์ด้านข้างหลักสำหรับ 48 V DC/DC, การควบคุมมอเตอร์ BLDC, อะแดปเตอร์ USB-PD เต็มรูปแบบ - แอปพลิเคชันบริดจ์และฮาล์ฟบริดจ์ รวมถึงโทโพโลยีแบบฟลายแบ็คและเรโซแนนซ์

รูปที่ 2: แพ็คเกจ LFPAQK56E จาก PSMN3R9-100YSFX และพาวเวอร์ MOSFET แบบซุปเปอร์จังค์ชัน NextPower 80/100 V อื่น ๆ (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

์NextPower PSMN2R0-100SSFJ MOSFET แบบ N-channel 100 V, 2.07 mOhm, 267 แอมป์ มาในแพ็คเกจ LFPAK88 ซึ่งมีขนาด 8 mm by 8 mm นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติที่อุณหภูมิ +175°C และแนะนำสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและผู้บริโภค เช่น วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสใน AC/DC และ DC/DC, สวิตช์ด้านข้างหลัก, การควบคุมมอเตอร์ BLDC, การใช้งานฟูลบริดจ์และฮาล์ฟบริดจ์ และ ป้องกันแบตเตอรี่

สำหรับนักออกแบบที่ต้องการให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในระดับสูง NextPowerS3 MOSFET มีจำหน่ายในรุ่น 25 V, 30 V และ 40 V พร้อมด้วยไดโอดตัว Schottky-Plus ที่ให้ R _DS(ON) และแสดงความสามารถกระแสต่อเนื่องได้ถึง 380 A ตัวอย่างการใช้งาน PSMN5R4-25YLDX สามารถเป็น MOSFET ระดับลอจิก NextPowerS3 N-channel 25 V, 5.69 mΩ ในบรรจุภัณฑ์ LFPAK56 มาตรฐานได้

เทคโนโลยี “Schottky-Plus” ของ Nexperia มอบประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพการพุ่งต่ำซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับ MOSFET ด้วยไดโอดที่มีลักษณะคล้าย Schottky หรือ Schottky ในตัว แต่ไม่มีกระแสไฟฟ้ารั่วสูงที่เป็นปัญหา โดยส่งการรั่วไหล <1 μA ที่ +25°C

อุปกรณ์จาก NextPowerS3 ได้รับการแนะนำสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงโซลูชัน DC-to-DC ในตัวสำหรับเซิร์ฟเวอร์และโทรคมนาคม โมดูลควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VRM) โมดูลจุดโหลด (POL) การจ่ายพลังงานสำหรับ V-core ASIC, DDR, GPU, VGA และส่วนประกอบของระบบ และการควบคุมมอเตอร์แบบมีแปรงถ่าน/แบบไร้แปรงถ่าน

อุปกรณ์จาก NextPowerS3 ยังมีจำหน่ายในรูปแบบ LFPAK33 ขนาด 3.3 mm x 3.3 mm (รูปที่ 3) รวมถึง 30 VPSMN1R8-30MLHX เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น ตัวควบคุมบั๊กแบบซิงโครนัส วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสในการใช้งาน AC/DC และ DC/DC การควบคุมมอเตอร์ BLDC (ไร้แปรงถ่าน) พร้อมด้วย eFuse และการป้องกันแบตเตอรี่

รูปที่ 3: ภาพประกอบเปรียบเทียบบรรจุภัณฑ์ NextPowerS3 LKPAK33 (ขวา) กับบรรจุภัณฑ์ DPAK (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

สรุป

พาวเวอร์ MOSFET แบบซุปเปอร์จังค์ชันที่ใช้ซิลิคอนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการบรรลุความสมดุลของประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพ และความคุ้มค่าที่จำเป็นสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังใหม่จำนวนมาก กลุ่มผลิตภัณฑ์ NextPowerS3 และ NextPower MOSFET 80/100 V จาห Nexperia นำเสนอคุณลักษณะที่หลากหลายแก่นักออกแบบผลิตภัณฑ์เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ และมีจำหน่ายในแพ็คเกจ LFPAK ที่ได้รับการปรับปรุงด้านความร้อนขนาดกะทัดรัด เพื่อเพิ่มความหนาแน่นและความน่าเชื่อถือของพลังงาน