Avaliação de MOSFETs de potência de superjunção quanto ao desempenho e à eficiência

Os MOSFETs de potência de superjunção dominam as aplicações de chaveamento em alta tensão há tanto tempo que é tentador pensar que deve haver alternativas melhores. No entanto, sua capacidade de continuar oferecendo um equilíbrio entre desempenho, eficiência e custo-benefício os torna indispensáveis na otimização de projetos eletrônicos de potência para muitas aplicações novas.

Comercialmente disponíveis desde a virada do século, os MOSFETs de superjunção baseados em silício foram criados pelo empilhamento de camadas alternadas do tipo p e do tipo n de material semicondutor para criar junções PN que resultaram em resistência reduzida do estado de condução (R_DS(ON)) e carga na porta (Q_g), em comparação com os MOSFETs planares tradicionais. Esses benefícios foram quantificados em um cálculo da Figura de Mérito (FOM), em que FOM = R_DS(ON) x Q_g.

A FOM quantifica a resistência que o MOSFET tem quando está ligado e a carga necessária para ligar e desligar.

O Q_g fornece uma comparação útil do desempenho de chaveamento, mas às vezes isso pode ser exageradamente enfatizado. Os acionadores de porta modernos estão disponíveis para atender à maioria dos requisitos de carga na porta, de modo que os projetistas que buscam uma otimização ainda maior arriscam aumentar seus custos em detrimento da melhoria de outros parâmetros essenciais.

O projeto do equilíbrio de carga em MOSFETs de superjunção permite regiões mais finas e mais fortemente dopadas. Sua eficiência na conversão de energia decorre da capacidade de ligar e desligar o MOSFET mais rapidamente, reduzindo as perdas de chaveamento. Os problemas de gerenciamento térmico também são simplificados, pois a eficiência aprimorada gera menos calor durante a operação.

Quando ou se devem ser usados depende, é claro, dos requisitos específicos da aplicação. Eles são populares em aplicações em que a eficiência de chaveamento em alta tensão e o design compacto são desejados, como fontes de alimentação e conversores CA/CC, acionamentos de motor de frequência variável, inversores solares e outros.

Não negligencie os valores de Q_rr

Outro fator a ser considerado na seleção de MOSFETs de superjunção para uma aplicação é a carga de recuperação reversa (Q_rr)—a carga que se acumula na junção PN à medida que a corrente flui pelo diodo encorporado ao MOSFET durante um ciclo de chaveamento. Quando elevada, isso pode levar a picos de tensão e perdas adicionais, portanto, uma carga de recuperação mais baixa é importante para melhorar a eficiência e minimizar as perdas de chaveamento.

Eventos transitórios devido à Q_rr elevada também podem gerar interferência eletromagnética (EMI), afetando negativamente os componentes sensíveis e a integridade do sinal.

A redução da Q_rr é benéfica para melhorar o desempenho, especialmente em aplicações de alta frequência, em que esses efeitos são ampliados, e para garantir a operação ideal e a conformidade com os parâmetros de EMI. Do ponto de vista do design do produto, uma carga menor pode proporcionar os seguintes benefícios:

• Perdas de chaveamento reduzidas, pois a dissipação de energia é minimizada
• Eficiência aprimorada devido à melhor utilização de energia
• Desempenho térmico aprimorado, com geração de calor reduzida durante o chaveamento
• EMI atenuada por meio da redução dos picos de tensão e de oscilações
• Confiabilidade de longo prazo devido ao menor estresse durante os ciclos de chaveamento

Em geral, quanto maior a frequência da aplicação, maior a prioridade de utilizar um Q_rr mais baixo. Também é importante determinar como esse fator contribui para a geração de calor na aplicação e os consequentes requisitos de resfriamento.

Depois de escolher um ou mais MOSFETs em potencial, os projetistas podem usar ferramentas de simulação para modelar o MOSFET e como a Q_rr se comportará na aplicação e afetará seu desempenho. Testes experimentais com um osciloscópio e uma sonda de corrente podem produzir medições dos eventos de chaveamento com um MOSFET específico.

A adequação desses valores às necessidades de uma aplicação depende de encontrar o equilíbrio adequado com a eficiência e outros parâmetros, como desempenho térmico, transcondutância, tensão de limiar e tensão direta do diodo.

Selecionando o MOSFET de potência correto

A Nexperia oferece duas famílias de produtos em MOSFET de potência de superjunção visando fornecer aos projetistas de produtos uma gama de opções para corresponder a combinação certa de desempenho de chaveamento com vários requisitos da aplicação.

Os MOSFETs NextPower de 80 V e 100 V da empresa são adequados para projetistas focados em aplicações de chaveamento de alta eficiência e alta confiabilidade, como fontes de alimentação, projeto industrial e telecomunicações. Os dispositivos fornecem Q_rr de até 50 nanocoulombs (nC), com menor corrente de recuperação reversa (I_rr), menores picos de tensão (V_pico) e características de oscilações reduzidas.

Disponíveis em encapsulamento de clipe de cobre LFPAK56, LFPAK56E e LFPAK88, os dispositivos oferecem flexibilidade para economizar espaço sem comprometer o desempenho térmico ou a confiabilidade. O encapsulamento LFPAK56/LFPAK56E tem uma pegada que ocupa espaço de 5 mm por 6 mm, ou 30 mm², o que representa uma economia de espaço de 81% em comparação com o D²PAK de 163 mm² e de 57% em comparação com o DPAK de 70 mm² (Figura 1).

Figura 1: Comparação do invólucro LFPAK56 (à direita) com as pegadas D²PAK (à esquerda) e DPAK. (Fonte da imagem: Nexperia)

O LFPAK56E (Figura 2) é uma versão aprimorada do LFPAK56 que atinge uma resistência mais baixa, mantendo a mesma pegada compacta, o que leva a uma maior eficiência. Um exemplo desse invólucro aprimorado é o PSMN3R9-100YSFX, um MOSFET de canal N de 100 V, 4,3 mOhm, com um dimensionamento de corrente contínua de 120 A. Qualificado para +175°C, ele é recomendado para aplicações industriais e de consumo, incluindo um retificador síncrono em CA/CC e CC/CC, uma comutação no lado primário para 48 V CC/CC, controle de motor BLDC, adaptadores USB-PD, aplicações de ponte completa e meia ponte, bem como topologias flyback e ressonantes.

Figura 2: O invólucro LFPAQK56E do PSMN3R9-100YSFX e de outros MOSFETs de potência de superjunção NextPower de 80/100 V. (Fonte da imagem: Nexperia)

O NextPower PSMN2R0-100SSFJ, um MOSFET de canal N de 100 V, 2,07 mOhm, 267 ampères, é fornecido em um invólucro LFPAK88 que tem uma pegada de 8 mm por 8 mm. Ele também é qualificado para +175°C e é recomendado para aplicações industriais e de consumo, como um retificador síncrono em CA/CC e CC/CC, uma comutação no lado primário, controle de motor BLDC, aplicações de ponte completa e meia ponte e proteção de bateria.

Para os projetistas que desejam priorizar o alto desempenho e a confiabilidade, os MOSFETs NextPowerS3 estão disponíveis nas versões de 25 V, 30 V e 40 V com um diodo incorporado Schottky-Plus que oferece baixa R_DS(ON) e capacidade de corrente contínua comprovada de até 380 A. O PSMN5R4-25YLDX, por exemplo, é um MOSFET de nível lógico de canal N NextPowerS3 de 25 V e 5,69 mΩ em um encapsulamento LFPAK56 padrão.

A tecnologia "Schottky-Plus" da Nexperia oferece alta eficiência e baixo desempenho de pico, normalmente associados aos MOSFETs com um diodo Schottky integrado ou do tipo Schottky, mas sem a problemática alta corrente de fuga, fornecendo <1 μA de fuga a +25°C.

Os dispositivos NextPowerS3 são recomendados para uma série de aplicações, incluindo soluções de conversão CC para CC na placa para servidores e telecomunicações, módulos reguladores de tensão (VRM), módulos de ponto de carga (POL), fornecimento de energia para núcleo V, ASIC, DDR, GPU, VGA e componentes do sistema, além de controle de motores com ou sem escovas.

Os dispositivos NextPowerS3 também estão disponíveis em uma pegada LFPAK33 de 3,3 mm x 3,3 mm (Figura 3), incluindo o PSMN1R8-30MLHX de 30 V, adequado para aplicações como um regulador buck síncrono, um retificador síncrono em aplicações CA/CC e CC/CC, controle de motor BLDC (sem escovas), juntamente com eFuse e proteção de bateria.

Figura 3: Uma ilustração comparando o encapsulamento NextPowerS3 LKPAK33 (à direita) com o encapsulamento DPAK. (Fonte da imagem: Nexperia)

Conclusão

Os MOSFETs de potência de superjunção baseados em silício são indispensáveis para alcançar o equilíbrio entre desempenho, eficiência e custo-benefício necessários para muitas novas aplicações de eletrônica de potência. O portfólio de MOSFETs NextPowerS3 e NextPower de 80/100 V da Nexperia oferece aos projetistas de produtos uma gama de características para atender a essas demandas e está disponível em invólucros LFPAK compactos e termicamente aprimorados para maior densidade de potência e confiabilidade.