Maximice la densidad de potencia y el rendimiento en aplicaciones de convertidores de conmutación con MOSFET dobles.

Los convertidores de conmutación y controladores de motor industriales y de automoción requieren transistores de efecto de campo de óxido de meta y silicio (MOSFET) que sean pequeños, eficientes y generen un ruido eléctrico mínimo. Un enfoque de doble MOSFET ayuda a cumplir estos requisitos.

Al colocar dos MOSFET en un único encapsulado, los MOSFET duales bien diseñados consumen menos espacio en la placa de circuito impreso (PCB), reducen la inductancia parásita y eliminan la necesidad de disipadores voluminosos y costosos al mejorar el rendimiento térmico. Estos dispositivos pueden conmutar sin interferencias a varios cientos de kilohercios (kHz), funcionar de forma estable en un amplio rango de temperaturas y mostrar una baja corriente de fuga. Sin embargo, los diseñadores deben conocer sus características de funcionamiento para aprovechar plenamente las ventajas de estas piezas.

Este artículo presenta ejemplos de MOSFET duales de Nexperia y muestra cómo los diseñadores pueden utilizarlos para superar los retos de diseños resistentes, de alta eficiencia y con limitaciones de espacio. En él se analizan formas de optimizar el diseño de circuitos y placas de circuito impreso y se ofrecen consejos sobre simulación electrotérmica y análisis de pérdidas.

Más eficacia a alta velocidad de interruptor

Los MOSFET duales se adaptan a muchas aplicaciones industriales y de automoción (AEC-Q101), incluidos convertidores de CC/CC, inversores de motor y controladores de válvulas de solenoide. Estas aplicaciones pueden utilizar MOSFET dobles en pares de interruptores y topologías de medio puente, entre otras configuraciones.

La serie LFPAK56D de Nexperia es un ejemplo notable de dispositivos MOSFET duales. Incorporan la tecnología de clip de cobre de Nexperia, que permite una excepcional capacidad de corriente, baja impedancia del encapsulado y alta fiabilidad (Figura 1, derecha). Estos clips de cobre sólido mejoran la disipación del calor desde el sustrato semiconductor a través de las juntas soldadas a la placa de circuito impreso, permitiendo que aproximadamente el 30% del calor total eliminado fluya a través de los pines fuente. Las grandes secciones transversales de cobre también disminuyen la disipación de potencia óhmica y amortiguan el zumbido al reducir la inductancia parásita de la línea.

Figura 1: El encapsulado LFPAK56D (derecha) integra dos MOSFET independientes y utiliza estructuras de clip de cobre similares a las del encapsulado LFPAK56 de un solo MOSFET (izquierda). (Fuente de la imagen: Nexperia)

Como la mayoría de las piezas destinadas a convertidores de conmutación de alta tensión, el LFPAK56D utiliza tecnología de superunión. Este diseño reduce la resistencia "on" drenaje-fuente (R_DS(on)) y los parámetros de carga puerta-drenaje (_QGD), minimizando las pérdidas de potencia. El funcionamiento de dos MOSFET en el mismo sustrato reduce aún más la resistencia drenaje-fuente.

Como MOSFET de superunión, la serie LFPAK56D es resistente frente a eventos de avalancha y tiene una amplia área de funcionamiento seguro (SOA). Por ejemplo, cada uno de los MOSFET de 100 voltios del dispositivo PSMN029-100HLX TrenchMOS tiene una R_DS(on) de 29 miliohmios (mΩ), puede manejar 68 vatios y puede pasar hasta 30 amperios (A).

La serie LFPAK56D también utiliza la tecnología SchottkyPlus de NXP para reducir el comportamiento de pico y la corriente de fuga. Por ejemplo, el R_DS(on) típico del PSMN014-40HLDX suele ser de 11.4 mΩ, y la corriente de fuga de drenaje-fuente es de unos bajísimos 10 nanoamperios (nA).

Para aprovechar al máximo las altas corrientes de los MOSFET, la placa de circuito impreso debe estar diseñada para disipar mucho calor y garantizar conexiones eléctricas estables. Las placas de circuito impreso multicapa con suficientes vías y pistas conductoras de cobre grandes y gruesas garantizan un alto rendimiento térmico.

Evitar el desbordamiento térmico

Aunque los MOSFET de potencia totalmente encendidos son térmicamente estables, el embalamiento térmico es un riesgo cuando la corriente de drenaje (I_D) es baja.En este estado de funcionamiento, el calentamiento localizado tiende a reducir la tensión umbral puerta-fuente (V_GS(th)), lo que significa que el dispositivo se enciende más fácilmente. Esto crea una situación de retroalimentación positiva en la que la corriente adicional provoca más calentamiento y un V_GS(th) aún más bajo.

La figura 2 muestra este efecto para un voltaje de drenaje a fuente (V_DS) constante. A medida que aumenta V_GS, hay un I_D crítico conocido como coeficiente de temperatura cero (ZTC). Por encima de esta corriente, hay retroalimentación negativa y estabilidad térmica (zona azul); por debajo, domina la caída de voltaje del umbral, lo que da lugar a puntos de funcionamiento térmicamente inestables que pueden conducir al desbocamiento térmico (zona roja).

Figura 2: Por debajo del punto ZTC, el MOSFET puede entrar en embalamiento térmico debido a una caída de V_GS inducida térmicamente (zona roja). (Fuente de la imagen: Nexperia)

Este efecto reduce el SOA a bajas corrientes y altos voltajes de drenaje a fuente. Esto no es un problema significativo para las operaciones de conmutación rápida con una pendiente dV/dt pronunciada. Sin embargo, a medida que aumenta la duración de la conmutación, por ejemplo, para reducir las interferencias electromagnéticas, la inestabilidad térmica se hace más probable y potencialmente peligrosa.

Menores pérdidas de conmutación a altas frecuencias

Cuando se selecciona un MOSFET de superunión para aplicaciones de conmutación rápida, es esencial un Q_GD bajo, ya que reduce significativamente las pérdidas de conmutación.

Se producen grandes pérdidas de energía durante la conmutación cuando aparecen simultáneamente cambios significativos de tensión y corriente entre el drenaje, la puerta y la fuente. Un Q_GD bajo da lugar a una meseta de Miller corta (Figura 3, izquierda), lo que conduce a una pendiente de conmutación pronunciada (dV_ds/dt) y, en última instancia, a una menor pérdida de energía dinámica durante el encendido (Figura 3, área azul de la derecha).

Figura 3: Una meseta de Miller corta (izquierda) significa una pendiente de conmutación pronunciada, lo que se traduce en bajas pérdidas dinámicas (zona azul a la derecha). V_gp es la tensión puerta-fuente de la meseta de Miller; V_TH es la tensión de umbral de puerta; I_DS es la corriente de drenaje-fuente. (Fuente de la imagen: Vishay)

Limitación de la energía de avalancha y protección del MOSFET

En el momento de desconexión de una bobina de estator en una aplicación de accionamiento de motor, el campo magnético en colapso mantiene el flujo de corriente, generando una alta tensión de inducción a través del MOSFET que se superpone a la tensión de alimentación (V_DD). Sin embargo, la tensión de ruptura inversa (V_BR) del diodo del cuerpo del MOSFET limita este alto voltaje. En lo que se conoce como efecto avalancha, el MOSFET convierte la energía magnética saliente en energía de avalancha (E_DS) hasta que la corriente de la bobina cae a cero. Esto puede sobrecalentar rápidamente el cristal semiconductor.

La figura 4 muestra un control de bobina simple con un interruptor MOSFET y las señales de tiempo antes, durante (ventana de tiempo t_AL) y después de un único evento de avalancha. Si la cantidad de energía de avalancha disipada (E_DS(AL)S) es demasiado elevada, el calor resultante dañará la estructura del semiconductor.

Figura 4: Señales de temporización de un MOSFET antes, durante (t_AL) y después de una avalancha. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Los MOSFET LFPAK56D están diseñados para ser muy robustos y pueden soportar varios miles de millones de eventos de avalancha sin sufrir daños, según las pruebas de laboratorio de Nexperia. Teniendo en cuenta la energía de avalancha máxima, las etapas de controlador de bobina pueden prescindir de diodos de liberación o sujeción adicionales y utilizar únicamente el funcionamiento de avalancha de estos MOSFET.

Simulación electrotérmica en línea

Para mejorar la eficiencia del sistema, basarse en un simple coeficiente de calidad (FOM), como el producto R_DS x Q_GD, es insuficiente. En su lugar, los diseñadores deben llevar a cabo un análisis de pérdidas más preciso que tenga en cuenta las pérdidas del MOSFET resultantes de:

• Conductividad de conexión
• Pérdidas por conexión y desconexión
• Carga y descarga de la capacitancia de salida
• Pérdidas de continuidad y de conmutación del diodo de cuerpo
• Carga y descarga de la capacitancia de la compuerta

Para minimizar las pérdidas globales, los diseñadores deben comprender la relación entre los parámetros del MOSFET y el entorno operativo. Para ello, Nexperia ofrece modelos electrotérmicos de precisión para MOSFET que combinan el rendimiento eléctrico y térmico y representan todos los comportamientos importantes de los MOSFET. Los desarrolladores pueden utilizar el simulador en línea PartQuest Explore o importar los modelos en formato SPICE y VHDL-AMS a la plataforma de simulación de su elección.

En el momento de escribir estas líneas, sólo están disponibles los modelos eléctricos para los MOSFET LFPAK56D. Por lo tanto, el siguiente ejemplo de simulación térmica trata de un tipo de MOSFET diferente, el BUK7S1R0-40H.

El experimento interactivo Modelos electrotérmicos IAN50012 para MOSFET de potencia simula tres escenarios de calentamiento para el MOSFET BUK7S1R0-40H después de conectar una corriente de carga de 36.25 A. La figura 5 muestra las tres configuraciones de simulación a la izquierda.

Figura 5: Se muestra una simulación electrotérmica de un MOSFET utilizando el simulador en línea PartQuest Explore. (Fuente de la imagen: Nexperia)

En la carcasa superior "_{tj_no_self_heating}", la unión y la base de montaje están acopladas directamente a la temperatura ambiente (T_amb) de 0 °C sin resistencia térmica (R_th). En la carcasa intermedia, "_{tj_self_heating}", el chip se acopla a través de _Rth-j, y _Tj aumenta en torno a 0.4 °C. La carcasa inferior muestra una base de montaje (mb) acoplada a la temperatura ambiente a través del R_{th_mb} de una placa FR4 de seis capas con un disipador térmico. T_mb (verde) sube a 3,9 °C y T_j (rojo) sube a 4,3 °C.

Conclusión:

Los MOSFET LFPAK56D de pérdidas ultrabajas proporcionan una excelente eficiencia y densidad de potencia en convertidores de conmutación rápida o controladores de motor. Las consideraciones sobre el diseño térmico y de circuitos de PCB y la simulación electrotérmica que aquí se exponen ilustran cómo los diseñadores pueden superar los retos que plantean los diseños robustos, altamente eficientes y con limitaciones de espacio.