Evaluación del rendimiento y la eficiencia de los MOSFET de potencia de superunión

Los MOSFET de potencia de superunión han dominado las aplicaciones de conmutación de alta tensión durante tanto tiempo que resulta tentador pensar que debe haber alternativas mejores. Sin embargo, su capacidad para seguir ofreciendo un equilibrio entre rendimiento, eficiencia y rentabilidad los hace indispensables para optimizar los diseños de alimentación electrónica de muchas aplicaciones nuevas.

Comercializados desde principios de siglo, los MOSFET de superunión basados en silicio se crearon apilando capas alternas de material semiconductor de tipo p y tipo n para crear uniones PN que reducían la resistencia en estado encendido (R_DS(ON)) y la carga de puerta (Q_g), en comparación con los MOSFET planares tradicionales. Estas ventajas se han cuantificado en un cálculo del coeficiente de calidad (FOM), donde FOM = R_DS(ON) x Q_g.

FOM cuantifica cuánta resistencia tiene el MOSFET cuando está encendido y cuánta carga es necesaria para encenderse y apagarse.

Q_g ofrece una práctica comparación del rendimiento de los interruptores, pero a veces puede resultar excesivo. Existen controladores de compuerta modernos que satisfacen la mayoría de los requisitos de carga de compuerta, por lo que los diseñadores que persiguen una optimización aún mayor corren el riesgo de elevar sus costes a expensas de mejorar otros parámetros críticos.

El diseño de equilibrio de carga en los MOSFET de superunión permite obtener regiones más delgadas y más fuertemente dopadas. Su eficiencia en la conversión de potencia se debe a la capacidad de encender y apagar el MOSFET más rápidamente, reduciendo las pérdidas por conmutación. Los problemas de gestión térmica también se simplifican, ya que la mayor eficiencia genera menos calor durante el funcionamiento.

Por supuesto, su uso depende de los requisitos específicos de cada aplicación. Son muy populares en aplicaciones en las que se busca un alto rendimiento de conmutación de tensión y un diseño compacto, como fuentes de alimentación y convertidores de CA/CC, accionamientos de motores de frecuencia variable, inversores solares y otros.

No pase por alto los valores Q_rr.

Otro factor que debe tenerse en cuenta al seleccionar MOSFET de superunión para una aplicación es la carga de recuperación inversa (Q_rr), es decir, la carga que se acumula en la unión PN cuando la corriente fluye a través del diodo del cuerpo del MOSFET durante un ciclo de conmutación. Cuando es alta, puede provocar picos de voltaje y pérdidas adicionales, por lo que una carga de recuperación más baja es importante para mejorar la eficiencia y minimizar las pérdidas de conmutación.

Los eventos transitorios debidos a Q_rr elevados también pueden generar interferencias electromagnéticas (EMI), lo que repercute negativamente en los componentes sensibles y en la integridad de la señal.

La reducción de Q_rr es beneficiosa para mejorar el rendimiento, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia donde estos efectos se magnifican, y para garantizar un funcionamiento óptimo y el cumplimiento de los parámetros EMI (interferencia electromagnética). Desde el punto de vista del diseño del producto, una carga menor puede aportar las siguientes ventajas:

• Pérdidas de conmutación reducidas al minimizar la disipación de energía
• Mejora de la eficiencia gracias a un mejor aprovechamiento de la energía.
• Rendimiento térmico mejorado, con menor generación de calor durante la conmutación
• EMI (interferencia electromagnética) atenuada gracias a la reducción de picos de voltaje y zumbidos.
• Mayor fiabilidad a largo plazo gracias a una menor tensión durante los ciclos de interruptor

Generalmente, cuanto mayor es la frecuencia de la aplicación, mayor es la prioridad de utilizar un Q_rr más bajo. También es importante determinar cómo contribuye este factor a la generación de calor en la aplicación y las consiguientes necesidades de refrigeración.

Tras decidirse por uno o varios MOSFET potenciales, los diseñadores pueden utilizar herramientas de simulación para modelar el MOSFET y determinar cómo se comportará el Q_rr en la aplicación y cómo impactará en su rendimiento. Las pruebas experimentales con un osciloscopio y una sonda de corriente pueden producir mediciones de los eventos de conmutación con un MOSFET en particular.

Ajustar estos valores a las necesidades de una aplicación depende de encontrar su equilibrio adecuado con la eficiencia y otros parámetros como el rendimiento térmico, la transconductancia, la tensión umbral y el voltaje directo del diodo.

Selección del MOSFET de potencia adecuado

Nexperia ofrece dos familias de MOSFET de potencia de superconjunción destinadas a proporcionar a los diseñadores de productos una gama de opciones para adaptar la combinación adecuada de rendimiento de conmutación a los diversos requisitos de las aplicaciones.

Los MOSFET NextPower de 80 V y 100 V de la empresa son adecuados para diseñadores centrados en aplicaciones de conmutación de alta eficiencia y alta fiabilidad, como fuentes de alimentación, diseño industrial y telecomunicaciones. Los dispositivos proporcionan Q_rr de hasta 50 nanoculombios (nC), con menor corriente de recuperación inversa (I_rr), menores picos de voltaje (V_peak) y características de timbre reducidas.

Disponibles en envases de clip de cobre LFPAK56, LFPAK56E y LFPAK88, los dispositivos permiten ahorrar espacio sin comprometer el rendimiento térmico ni la fiabilidad. El envase del LFPAK56/LFPAK56E ocupa 5 mm por 6 mm, es decir, 30 mm², lo que supone un ahorro de espacio del 81% en comparación con el D²PAKde 163 ^mm2 y del 57% en comparación con el DPAK de 70 mm² (figura 1).

Figura 1: Comparación del encapsulado LFPAK56 (derecha) con las huellas D²PAK(izquierda) y DPAK. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El LFPAK56E (Figura 2) es una versión mejorada del LFPAK56 que consigue una menor resistencia manteniendo el mismo tamaño compacto, lo que se traduce en una mayor eficiencia. Un ejemplo de este encapsulado mejorado es el PSMN3R9-100YSFX, un MOSFET de canal N de 100 V y 4,3 mOhmios con una corriente continua nominal de 120 A. Calificado hasta +175°C, se recomienda para aplicaciones industriales y de consumo, incluido un rectificador síncrono en CA/CC y CC/CC, un interruptor del lado primario para 48 V CC/CC, control de motores BLCC, adaptadores USB-PD, aplicaciones de puente completo y medio puente, así como topologías flyback y resonantes.

Figura 2: El encapsulado LFPAQK56E del PSMN3R9-100YSFX y otros MOSFET de potencia de superunión 80/100 V de NextPower. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El PSMN2R0-100SSFJ de NextPower, un MOSFET de canal N de 100 V, 2,07 mOhmios y 267 amperios, se presenta en un encapsulado LFPAK88 con una huella de 8 mm por 8 mm. También está cualificado hasta +175°C y se recomienda para aplicaciones industriales y de consumo, como rectificador síncrono en CA/CC y CC/CC, interruptor del lado primario, control de motores BLDC, aplicaciones de puente completo y medio puente, y protección de baterías.

Para los diseñadores que buscan dar prioridad al alto rendimiento y fiabilidad, los MOSFET NextPowerS3 están disponibles en versiones de 25 V, 30 V y 40 V con un diodo de cuerpo Schottky-Plus que ofrece un bajo R_DS(ON ) y una capacidad demostrada de corriente continua de hasta 380 A. El PSMN5R4-25YLDX, por ejemplo, es un MOSFET de nivel lógico NextPowerS3 de canal N de 25 V y 5,69 mΩ en envase estándar LFPAK56.

La tecnología "Schottky-Plus" de Nexperia ofrece la alta eficiencia y el bajo rendimiento en picos que suelen asociarse a los MOSFET con un diodo Schottky o similar a Schottky integrado, pero sin la problemática alta corriente de fuga, ofreciendo <1 μA de fuga a +25 °C.

Los dispositivos NextPowerS3 se recomiendan para una amplia gama de aplicaciones, como soluciones de CC a CC integradas para servidores y telecomunicaciones, módulos reguladores de voltaje (VRM), módulos de punto de carga (POL), suministro de energía para V-core, ASIC, DDR, GPU, VGA y componentes de sistemas, y control de motores con escobillas/sin escobillas.

Los dispositivos NextPowerS3 también están disponibles en una huella LFPAK33 de 3,3 mm x 3,3 mm (Figura 3), incluido el PSMN1R8-30MLHX de 30 V, adecuado para aplicaciones como un regulador reductor síncrono, un rectificador síncrono en aplicaciones CA/CC y CC/CC, control de motores BLDC (sin escobillas), junto con fusibles electrónicos y protección de baterías.

Figura 3: Ilustración que compara el envase LKPAK33 de NextPowerS3 (derecha) con el envase DPAK. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Conclusión:

Los MOSFET de potencia de superunión basados en silicio son indispensables para lograr el equilibrio entre rendimiento, eficiencia y rentabilidad necesario para muchas nuevas aplicaciones de electrónica de potencia. La cartera de MOSFET NextPowerS3 y NextPower 80/100 V de Nexperia ofrece a los diseñadores de productos una gama de características para satisfacer estas demandas, y están disponibles en encapsulados LFPAK compactos y térmicamente mejorados para mejorar la densidad de potencia y la fiabilidad.