เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพสูงสุดในการสลับการใช้งานตัวแปลงด้วย MOSFET คู่

ตัวแปลงสวิตช์และตัวขับมอเตอร์ในอุตสาหกรรมและยานยนต์ต้องใช้ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามซิลิคอนออกไซด์ของโลหะ (MOSFET) ซึ่งมีขนาดเล็ก มีประสิทธิภาพ และสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าน้อยที่สุด แนวทาง MOSFET แบบคู่ช่วยตอบสนองข้อกำหนดเหล่านี้

ด้วยการวาง MOSFET สองตัวไว้ในแพ็คเกจเดี่ยว MOSFET คู่ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีจึงใช้พื้นที่บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) น้อยลง ลดการเหนี่ยวนำปรสิต และขจัดความจำเป็นในการใช้ฮีทซิงค์ขนาดใหญ่และมีราคาแพงโดยการปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อน อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถเปลี่ยนสวิตช์โดยไม่มีการรบกวนที่หลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ (kHz) ทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง และมีกระแสไฟรั่วต่ำ อย่างไรก็ตาม นักออกแบบจะต้องเข้าใจลักษณะการทำงานของตนจึงจะตระหนักถึงข้อดีของชิ้นส่วนเหล่านี้อย่างเต็มที่

บทความนี้จะแนะนำตัวอย่างของ MOSFET คู่ จากNexperia และแสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อตอบสนองความท้าทายของการออกแบบที่ทนทาน ประสิทธิภาพสูง และมีพื้นที่จำกัดได้อย่างไร โดยจะกล่าวถึงวิธีเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวงจรและ PCB และให้คำแนะนำเกี่ยวกับการจำลองความร้อนด้วยไฟฟ้าและการวิเคราะห์การสูญเสีย

ประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยความเร็วในการเปลี่ยนสูง

MOSFET คู่เหมาะกับการใช้งานด้านยานยนต์ (AEC-Q101) และอุตสาหกรรมหลายประเภท รวมถึงตัวแปลงสวิตชิ่ง DC/DC มอเตอร์อินเวอร์เตอร์ และตัวควบคุมโซลินอยด์วาล์ว การใช้งานเหล่านี้สามารถใช้ MOSFET คู่ในคู่สวิตช์และโทโพโลยีแบบฮาล์ฟบริดจ์ ท่ามกลางการกำหนดค่าอื่นๆ

Nexperia ซีรีส์ LFPAK56D เป็นตัวอย่างที่น่าสังเกตของอุปกรณ์ MOSFET แบบคู่ มีเทคโนโลยีคลิปทองแดงของ Nexperia ซึ่งช่วยให้มีความสามารถด้านกระแสไฟที่ยอดเยี่ยม ความต้านทานของแพ็คเกจต่ำ และความน่าเชื่อถือสูง (รูปที่ 1 ขวา) คลิปทองแดงแข็งเหล่านี้ช่วยปรับปรุงการกระจายความร้อนจากซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์ผ่านข้อต่อบัดกรีไปยัง PCB ช่วยให้ความร้อนประมาณ 30% ที่ระบายออกทั้งหมดไหลผ่านพินแหล่งจ่าย หน้าตัดของทองแดงขนาดใหญ่ยังช่วยลดการกระจายพลังงานโอห์มมิกและลดการเกิดเสียงกริ่งโดยลดการเหนี่ยวนำสายปรสิต

รูปที่ 1: แพ็คเกจ LFPAK56D (ขวา) รวม MOSFET อิสระสองตัว และใช้โครงสร้างคลิปทองแดงที่คล้ายกับ LFPAK56 แพ็คเกจ MOSFET เดี่ยว (ซ้าย) (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

เช่นเดียวกับชิ้นส่วนส่วนใหญ่ที่มีไว้สำหรับตัวแปลงสวิตชิ่งไฟฟ้าแรงสูง LFPAK56D ใช้เทคโนโลยี superjunction การออกแบบนี้ลดความต้านทาน "เปิด" ของเดรน-แหล่งจ่าย (R_{DS(เปิด)} ) และพารามิเตอร์ค่าเกต-เดรน (Q_จีดี ) ช่วยลดการสูญเสียพลังงานให้เหลือน้อยที่สุด การใช้งาน MOSFET สองตัวบนซับสเตรตเดียวกันจะช่วยลดความต้านทานของเดรน-แหล่งจ่ายอีกด้วย

ในฐานะ superjunction MOSFET ซีรีส์ LFPAK56D ทนทานต่อเหตุการณ์หิมะถล่ม และมีพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัย (SOA) ที่กว้าง ตัวอย่างเช่น MOSFET 100 โวลต์แต่ละตัวในอุปกรณ์ TrenchMOS PSMN029-100HLX มีค่า 29 มิลลิโอห์ม (mΩ) R_{DS(เปิด)} สามารถรองรับกระแสไฟได้ 68 วัตต์ และจ่ายกระแสไฟได้สูงสุด 30 แอมแปร์ (A)

ซีรีส์ LFPAK56D ก็ใช้เทคโนโลยี SchottkyPlus NXP ช่วยลดพฤติกรรมการกระชากและกระแสไฟรั่ว ตัวอย่างเช่น R ทั่วไป_{DS(เปิด)} สำหรับ PSMN014-40HLDX โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 11.4 mΩ และกระแสรั่วไหลจากแหล่งเดรนจะอยู่ที่ 10 นาโนแอมแปร์ (nA) ซึ่งต่ำมาก

หากต้องการใช้กระแสสูงของ MOSFET อย่างเต็มที่ PCB จะต้องได้รับการออกแบบให้กระจายความร้อนสูงและรับประกันการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่มั่นคง PCB หลายชั้นที่มีจุดผ่านเพียงพอและรางตัวนำทองแดงขนาดใหญ่และหนาช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการระบายความร้อนสูง

หลีกเลี่ยงการระบายความร้อน

แม้ว่า MOSFET กำลังที่เปิดสวิตช์เต็มที่จะมีความเสถียรทางความร้อน แต่ Thermal Runaway กลับมีความเสี่ยงเมื่อกระแสไฟระบาย (I_D) อยู่ในระดับต่ำในสถานะการทำงานนี้ การทำความร้อนเฉพาะที่มีแนวโน้มที่จะลดแรงดันไฟฟ้าที่เกณฑ์เกต-แหล่งจ่าย (V_GS(th) ) ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์จะเปิดได้ง่ายขึ้น สิ่งนี้จะสร้างสถานการณ์ตอบรับเชิงบวก โดยที่กระแสไฟเพิ่มเติมทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นและ V_GS(th) ต่ำลงอีก

รูปที่ 2 แสดงผลสำหรับแรงดันไฟฟ้า เดรน-แหล่งจ่าย คงที่ (V_DS) ในกรณีที่ V_GS เพิ่มขึ้น จะเกิดวิกฤต I_D เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นศูนย์ (ZTC) เหนือกระแสนี้ มีการตอบรับเชิงลบและเสถียรภาพทางความร้อน (โซนสีน้ำเงิน) ที่ด้านล่าง แรงดันไฟฟ้าตกที่เกณฑ์ครอบงำ ส่งผลให้จุดการทำงานไม่เสถียรทางความร้อน ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิด Thermal Runaway (โซนสีแดง)

รูปที่ 2: ใต้จุด ZTC MOSFET สามารถเข้าสู่ Thermal Runaway ได้ เนื่องจากการลดลงของ V_GS ที่เกิดจากความร้อน (พื้นที่สีแดง) (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

ผลกระทบนี้จะลด SOA ที่กระแสต่ำและแรงดันไฟฟ้า เดรน-แหล่งจ่าย สูง นี่ไม่ใช่ข้อกังวลที่สำคัญสำหรับการดำเนินการสลับอย่างรวดเร็วที่มีค่าความชัน dV/dt ที่ชัน อย่างไรก็ตาม เมื่อระยะเวลาการสลับเพิ่มขึ้น เช่น เพื่อลดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า ความไม่เสถียรทางความร้อนจึงมีแนวโน้มมากขึ้นและอาจเป็นอันตรายได้

ลดการสูญเสียการสลับที่ความถี่สูง

เมื่อเลือก MOSFET superjunction สำหรับการใช้งานสวิตชิ่งที่รวดเร็ว ค่า Q _GD ที่ต่ำถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากจะช่วยลดการสูญเสียการสลับได้อย่างมาก

การสูญเสียพลังงานสูงเกิดขึ้นระหว่างการสลับเมื่อแรงดันและกระแสเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญปรากฏขึ้นพร้อมๆ กันระหว่างท่อระบายน้ำ ประตู และแหล่งกำเนิด ค่า Q_GD ที่ต่ำส่งผลให้มี Miller Plateau สั้น (รูปที่ 3 ซ้าย) นำไปสู่ทางลาดชัน (dV_ds/dt) และส่งผลให้สูญเสียพลังงานแบบไดนามิกน้อยลงในระหว่างการเปิดเครื่อง (รูปที่ 3 พื้นที่สีน้ำเงินทางด้านขวา)

รูปที่ 3: Miller Plateau สั้น (ซ้าย) หมายถึงทางลาดสลับที่สูงชัน ส่งผลให้เกิดการสูญเสียไดนามิกต่ำ (พื้นที่สีน้ำเงินทางด้านขวา) V_GP คือแรงดันไฟฟ้า เกต-แหล่งจ่าย ของ Miller Plateau V_TH คือแรงดันไฟเกณฑ์เกต I_DS คือกระแสไฟ เดรน-แหล่งจ่าย (ที่มาของภาพ:Vishay)

การจำกัดพลังงานอะวาลานช์และการปกป้อง MOSFET

ในช่วงเวลาปิดสวิตช์ของขดลวดสเตเตอร์ในการใช้งานมอเตอร์ไดรฟ์ สนามแม่เหล็กที่ยุบตัวจะรักษาการไหลของกระแส ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงทั่ว MOSFET ที่ซ้อนทับกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย (V_DD) อย่างไรก็ตาม แรงดันพังทลายย้อนกลับ (V_BR ) ของไดโอดตัว MOSFET จะจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงนี้ ในสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์อะวาลานช์ MOSFET จะแปลงพลังงานแม่เหล็กที่ไหลออกมาเป็นพลังงานอะวาลานช์ (E_DS) จนกระทั่งกระแสคอยล์ลดลงเหลือศูนย์ สิ่งนี้อาจทำให้คริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ร้อนเกินไปอย่างรวดเร็ว

รูปที่ 4 แสดงการควบคุมคอยล์อย่างง่ายด้วยสวิตช์ MOSFET และสัญญาณเวลาก่อน ระหว่าง (กรอบเวลา t_AL) และหลังจากเกิดการอะวาลานช์ครั้งเดียว หากปริมาณพลังงานอะวาลานช์กระจายไป (E_DS(AL)S) สูงเกินไป ความร้อนที่เกิดขึ้นจะทำให้โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์เสียหาย

รูปที่ 4: สัญญาณไทม์มิ่งของ MOSFET ก่อน, ระหว่าง (t_AL) และหลังจากเกิดการอะวาลานช์ครั้งเดียว (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

LFPAK56D MOSFET ได้รับการออกแบบให้มีความแข็งแกร่งมาก และสามารถทนต่อการเกิดการอะวาลานช์หลายพันล้านครั้งโดยไม่มีความเสียหาย ตามการทดสอบในห้องปฏิบัติการของ Nexperia เมื่อพิจารณาถึงพลังงานหิมะถล่มสูงสุด ระยะไดรเวอร์คอยล์สามารถจ่ายไดโอดแบบหมุนอิสระหรือแบบหนีบเพิ่มเติมได้ และใช้เฉพาะการดำเนินการถล่มของ MOSFET เหล่านี้เท่านั้น

การจำลองแบบออนไลน์ด้วยไฟฟ้าความร้อน

ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ การใช้ Figure of Merit (FOM) อย่างง่าย เช่น ผลิตภัณฑ์ R_DS x Q_GD นั้นไม่เพียงพอ นักออกแบบจำเป็นต้องดำเนินการวิเคราะห์การสูญเสียที่แม่นยำยิ่งขึ้นเพื่อพิจารณาการสูญเสีย MOSFET อันเป็นผลมาจาก:

• การนำไฟฟ้าของสวิตช์เปิด
• การสูญเสียการเปิดและปิดสวิตช์
• การชาร์จและการคายประจุความจุเอาต์พุต
• ความต่อเนื่องและการสลับการสูญเสียของบอดี้ไดโอด
• การชาร์จและการคายประจุความจุเกต

เพื่อลดการสูญเสียโดยรวม ผู้ออกแบบจะต้องเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ MOSFET และสภาพแวดล้อมการทำงาน ด้วยเหตุนี้ Nexperia จึงนำเสนอแบบจำลองความร้อนด้วยไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสำหรับ MOSFET ที่ผสมผสานประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความร้อนเข้าด้วยกัน และแสดงถึงลักษณะการทำงานของ MOSFET ที่สำคัญทั้งหมด นักพัฒนาสามารถใช้โปรแกรมจำลองออนไลน์ PartQuest Explore หรือนำเข้าโมเดลในรูปแบบ SPICE และ VHDL-AMS ไปยังแพลตฟอร์มการจำลองที่ต้องการ

ในขณะที่เขียนบทความนี้ มีตัวเลือกเฉพาะรุ่นระบบไฟฟ้าสำหรับ LFPAK56D MOSFET เท่านั้น ดังนั้น ตัวอย่างการจำลองความร้อนต่อไปนี้เกี่ยวข้องกับ MOSFET ประเภทอื่น BUK7S1R0-40H

การทดลองเชิงโต้ตอบ IAN50012 รุ่นความร้อนไฟฟ้าสำหรับ Power MOSFET จำลองสถานการณ์การให้ความร้อนสามสถานการณ์สำหรับ BUK7S1R0-40H MOSFET หลังจากเปิดกระแสโหลด 36.25 A รูปที่ 5 แสดงการตั้งค่าการจำลองทั้งสามทางด้านซ้าย

รูปที่ 5: แสดงให้เห็นว่าเป็นการจำลองความร้อนด้วยไฟฟ้าของ MOSFET โดยใช้โปรแกรมจำลองออนไลน์ PartQuest Explore (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

ในเคสบน “t_่j _no_self_heating” หัวต่อและฐานติดตั้งเชื่อมต่อโดยตรงกับอุณหภูมิแวดล้อม (T_amb) 0°C โดยไม่มีความต้านทานความร้อน (R_th) ในเคสกลาง “t_่j _self_heating” ชิปเชื่อมต่อผ่าน R_th-j และ T_j เพิ่มขึ้นประมาณ 0.4°C เคสล่างแสดงฐานติดตั้ง (mb) ควบคู่กับอุณหภูมิแวดล้อมผ่านทาง R_{th_mb} ของบอร์ด FR4 หกชั้นพร้อมฮีทซิงค์ T_mb (สีเขียว) เพิ่มขึ้นเป็น 3.9°C และ T_j (สีแดง) เพิ่มขึ้นเป็น 4.3°C

สรุป

LFPAK56D MOSFET ที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษให้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมและความหนาแน่นของพลังงานในคอนเวอร์เตอร์ที่สลับเร็วหรือไดรเวอร์มอเตอร์ ข้อควรพิจารณาในการออกแบบวงจรและ PCB ด้านความร้อน และการจำลองความร้อนด้วยไฟฟ้าที่กล่าวถึงในที่นี้ แสดงให้เห็นว่านักออกแบบสามารถเอาชนะความท้าทายของการออกแบบที่แข็งแกร่ง มีประสิทธิภาพสูง และมีพื้นที่จำกัดได้อย่างไร