Usar tecnología avanzada de procesos MOSFET para una mayor densidad de potencia y fiabilidad

Los diseñadores de fuentes de alimentación para aplicaciones como convertidores de CC/CC, control de motores, conmutación de cargas, centros de datos y equipos de comunicaciones se enfrentan continuamente al reto de reducir el espacio de sus diseños para aumentar la densidad de potencia. Sin embargo, una mayor densidad de potencia requiere dispositivos con una disipación mínima de calor para mantener la temperatura de funcionamiento dentro de los límites y garantizar la fiabilidad. Para lograr esto se requieren dispositivos de conmutación activa que no solo sean más pequeños, sino que también tengan menores pérdidas, lo que les permite operar con mayores eficiencias.

Al seleccionar dispositivos de conmutación adecuados, los diseñadores deben considerar cuidadosamente características como el tamaño, la resistencia en estado de encendido, el voltaje disruptivo, la velocidad de conmutación y la carga de recuperación inversa.

Este artículo ofrece un breve resumen de los requisitos de diseño de la fuente de alimentación utilizada en las aplicaciones pertinentes. A continuación, introduce una tecnología avanzada de procesos MOSFET de Toshiba y muestra cómo los dispositivos basados en esta tecnología pueden utilizarse para cumplir estos requisitos.

Cómo evolucionan los requisitos de diseño de la fuente de alimentación

Los dispositivos electrónicos se están volviendo más pequeños en diversas aplicaciones, incluyendo comunicaciones, automotrices, Internet de las Cosas (IoT), IoT industrial (IIoT) y dispositivos de vestir. Los diseñadores de estos sistemas requieren fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) de menor tamaño y mayor densidad de potencia. Lograr esta mayor densidad de potencia requiere componentes más pequeños y eficientes, lo que permite una temperatura interna de funcionamiento más baja y favorece una alta fiabilidad en el diseño.

Los componentes activos más comunes en un SMPS son los interruptores MOSFET, que se encuentran tanto en el lado primario o de alta tensión, como en los circuitos secundarios de baja tensión (Figura 1).

Figura 1: Se muestra un SMPS que usa MOSFET de bajo voltaje como rectificador síncrono en el circuito secundario; los MOSFET de alta tensión forman una etapa de conmutación de puente completo en el lado primario. (Fuente de la imagen: Toshiba Semiconductor and Storage)

El lado primario del SMPS suele funcionar a un voltaje alto. Por ejemplo, en fuentes que funcionan desde la línea eléctrica, los MOSFET primarios rectifican el voltaje de la línea. El lado secundario suele funcionar a un voltaje más bajo; esta es la área de aplicación prevista para MOSFET de bajo voltaje.

Altas eficiencias y bajas pérdidas de energía

La alta eficiencia en una fuente de alimentación se logra minimizando las pérdidas de potencia. Las pérdidas asociadas a dispositivos semiconductores activos incluyen pérdidas por conducción, conmutación y diodos de cuerpo. Estas pérdidas ocurren en distintos momentos dentro del ciclo de funcionamiento del dispositivo (Figura 2).

Figura 2: El ciclo operativo de un interruptor MOSFET (izquierda) incluye los intervalos ON, OFF y de transición (derecha), cada uno con su propia fuente asociada de pérdida de potencia. (Fuente de la imagen: Toshiba Semiconductor y Almacenamiento)

Los MOSFET en un SMPS operan en cualquiera de dos estados, ENCENDIDO o APAGADO. El estado del dispositivo cambia dependiendo del voltaje de la puerta a la fuente (V_GS). Cuando el dispositivo está encendido, el voltaje de drenaje a fuente (V_DS) está a un nivel bajo. En el estado Encendido, la corriente de drenaje a fuente (I_DS) a través del dispositivo está determinada por la impedancia de carga y la resistencia de drenaje-fuente en estado Encendido (R_DS(ON)). Para una carga inductiva, la corriente aumenta linealmente mientras carga el campo magnético del inductor. Durante el tiempo de encendido, la corriente a través de la resistencia del canal genera pérdidas de conducción proporcionales al cuadrado de I_DS y R_DS(ON). Cuando el dispositivo está apagado, el V_DS está alto, y el I_DS representa la corriente de fuga del dispositivo, que determina las pérdidas por conducción en estado Apagado.

Durante las transiciones entre estados, tanto el voltaje como la corriente son simultáneamente distintos de cero, y la energía se disipa en el dispositivo en proporción al voltaje, la corriente y la frecuencia de conmutación. Son las pérdidas de conmutación.

Las pérdidas de recuperación son causadas por la recuperación inversa del diodo corporal del MOSFET cuando se cambia de un estado conductor a uno no conductor. La carga remanente en la unión PN debe eliminarse durante este tiempo, lo que resulta en un pico inverso de corriente de recuperación y la pérdida de potencia asociada. La pérdida es proporcional al cargo de recuperación inversa (Q_rr) del dispositivo, que determina el tiempo de recuperación inversa.

La pérdida total de potencia del dispositivo es la suma de todos estos componentes.

Cómo una estructura de trinchera permite un dispositivo más compacto

La estructura física de un MOSFET afecta al tamaño y las dimensiones del dispositivo. La estructura MOSFET de trinchera (figura 3) es la construcción más compacta, ya que ofrece la mayor densidad de canales al tiempo que reduce la R_DS(ON).

Figura 3: La estructura del MOSFET en trinchera tiene un flujo de corriente vertical, lo que resulta en una huella más pequeña. (Fuente de la imagen: Toshiba Semiconductor and Storage)

Los MOSFET planares convencionales utilizan flujo de corriente horizontal; el proceso de compuerta de trinchera forma un canal vertical con forma de U. Este flujo vertical reduce la huella del dispositivo, permitiendo que se creen más dispositivos en cada oblea. La estructura también disminuye la R_DS(ON). Además, la mayor densidad de disposición permite la conexión paralela de múltiples dispositivos, reduciendo aún más la resistencia al estado ON. El tamaño más pequeño también disminuye la capacitancia entre electrodos, permitiendo conmutaciones más rápidas y un funcionamiento a frecuencias más altas.

Las pérdidas de conmutación también dependen de la duración de la región de transición. La duración está gobernada por las capacitancias parásitas del dispositivo, que requieren una transferencia de carga antes de que el estado del MOSFET pueda cambiarse. La carga total de la puerta (Q_g) es la cantidad de carga necesaria para cambiar el potencial de la puerta a su voltaje designado. Reducir las pérdidas de conmutación requiere acortar el tiempo de conmutación disminuyendo Q_g. El producto de R_DS(ON) y Q_g es una cifra común de mérito para un MOSFET, que indica la eficiencia de un dispositivo combinando pérdidas por conducción, que son proporcionales a R_DS(ON), y pérdidas de conmutación, que son inversamente proporcionales a Qg. El mejor rendimiento se indica por un valor más bajo para el producto R_DS(ON) *Q_g.

Dado que las pérdidas por conmutación incluyen un término para la pérdida por recuperación inversa del diodo corporal, el producto de R_DS(ON) y Q_rr contribuye a comprender el impacto individual de las pérdidas por conducción y conmutación. Aunque el producto de R_DS(ON) y Q_rr no es una cifra habitual de mérito, ofrece otra ventana a la pérdida total de potencia de un MOSFET.

MOSFETS U-MOS 11-H de Toshiba

El proceso U-MOS11-H de Toshiba, basado en una estructura de trinchera mejorada, ofrece productos MOSFET con menor R_DS(ON) para reducir las pérdidas de conducción y mejorar las características generales de conmutación gracias a menores Q_g y Q_rr, lo que lo convierte en un ajuste sólido para aplicaciones de bajo voltaje y alta eficiencia, como SMPS, accionamientos de motores y fuentes de alimentación para servidores.

El MOSFET TPH2R70AR5-LQ de Toshiba está clasificado para 100 V y ejemplifica las mejoras en el proceso U-MOS11-H. En comparación con un dispositivo equivalente de un proceso anterior, el TPH2R70AR5 ofrece un R_DS(ON) aproximadamente un 8% menor y un Q_g un 37% menor. La figura resultante de mérito, R_DS(ON) * Q_G es un 42% menor.

Las pérdidas por recuperación inversa se minimizan utilizando tecnología de control de vida útil, que introduce defectos inducidos por haz iónico en el semiconductor para aumentar la velocidad de conmutación y reducir el Q_rr. El Q_rr se incrementa en un 38%, y el producto resultante R_DS(ON) *_{Q rr} se reduce en un 43%. Estas cifras más bajas de mérito indican menor pérdida de potencia, mayor eficiencia y mayor densidad de potencia.

El TPH2R70AR5-LQ puede manejar una tensión máxima de drenaje-fuente de 100 V, y drenar corrientes de hasta 22 A en un entorno ambiente y hasta 190 A con refrigeración (una temperatura de carcasa de +25°C).

El R_DS(ON) es de 2,7 mΩ, en el peor de los casos, para una corriente de drenaje de 50 A y un accionamiento de puerta de 10 V; el R_DS(ON) es de 3,6 mΩ, en el peor de los casos, para una señal de compuerta de 8 V. El Q_g suele ser 52 nC con una compuerta de 10 V, y el Q_rr típico es 55 nC.

El TPH2R70AR5-LQ viene en un paquete SOP Advance(N) de montaje superficial de 5,15 mm × 6,1 mm × 1 mm (Figura 4), proporcionando una excelente compatibilidad de montaje con los estándares de la industria.

Figura 4: Se muestra una vista del paquete SOP Advance(N) (izquierda) y las conexiones internas del circuito para el TPH2R70AR5-LQ (derecha). (Fuente de la imagen: Toshiba Semiconductor and Storage)

Este tamaño de paquete se ajusta a las capacidades máximas de 100 V_DS del MOSFET. Los dispositivos de menor tensión tienen dimensiones de empaque más pequeñas debido a la reducción de los requisitos de espaciado.

El soporte de Toshiba para este producto incluye un modelo rápido de grado G0 SPICE para ayudar a los diseñadores a verificar rápidamente el funcionamiento del circuito. También ponen a disposición un modelo de grado G2 SPICE más preciso que incluye análisis de transitorios.

Conclusión

El MOSFET de bajo voltaje TPH2R70AR5-LQ de Toshiba está diseñado específicamente para su uso en el lado secundario de un SMPS. Utiliza una estructura de celda novedosa que reduce las pérdidas de potencia y mejora las características de conmutación del transistor, permitiendo el diseño de dispositivos de potencia con alta densidad de potencia y fiabilidad para aplicaciones modernas.