Évaluation des MOSFET de puissance à superjonction en termes de performances et de rendement

Les MOSFET de puissance à superjonction dominent les applications de commutation haute tension depuis si longtemps qu'il est tentant de penser qu'il doit exister de meilleures alternatives. Cependant, leur capacité à offrir un équilibre entre performances, rendement et rentabilité les rend indispensables à l'optimisation des conceptions de puissance électroniques pour de nombreuses nouvelles applications.

Disponibles dans le commerce depuis le début du siècle, les MOSFET à superjonction basés sur le silicium sont fabriqués en empilant des couches alternées de matériaux semi-conducteurs de type p et de type n pour créer des jonctions PN, ce qui se traduit par une réduction de la résistance à l'état passant (R_DS(ON)) et de la charge de grille (Q_g) par rapport aux MOSFET de type planar traditionnels. Ces avantages ont été quantifiés dans un calcul de facteur de mérite (FOM), où FOM = R_DS(ON) x Q_g.

Le facteur de mérite quantifie la résistance du MOSFET lorsqu'il est activé et la charge requise pour l'activer et le désactiver.

La charge de grille Q_g fournit une comparaison pratique des performances de commutation, mais cela peut parfois être surestimé. Les circuits d'attaque de grille modernes peuvent répondre à la plupart des exigences de charge de grille, de sorte que les concepteurs qui recherchent une optimisation encore plus importante risquent d'augmenter leurs coûts au détriment de l'amélioration d'autres paramètres critiques.

La conception à équilibre de charge dans les MOSFET à superjonction permet d'obtenir des régions plus fines et plus fortement dopées. Leur rendement en matière de conversion de puissance provient de la capacité à activer et désactiver le MOSFET plus rapidement, réduisant ainsi les pertes de commutation. Les problèmes de gestion thermique sont également simplifiés car le rendement amélioré génère moins de chaleur pendant le fonctionnement.

Le moment ou l'opportunité de les utiliser dépend bien entendu des exigences spécifiques de l'application. Ils sont populaires dans les applications dans lesquelles un rendement de commutation haute tension et une conception compacte sont souhaités, comme les alimentations et convertisseurs CA/CC, les entraînements de moteur à fréquence variable, les onduleurs solaires, et plus.

Ne pas négliger les valeurs Q_rr

Un autre facteur à prendre en compte lors de la sélection de MOSFET à superjonction pour une application est la charge de récupération inverse (Q_rr) : la charge qui s'accumule dans la jonction PN lorsque le courant traverse la diode de substrat du MOSFET pendant un cycle de commutation. Lorsqu'elle est élevée, cela peut entraîner des pics de tension et des pertes supplémentaires. Une charge de récupération plus faible est donc importante pour améliorer le rendement et minimiser les pertes de commutation.

Les événements transitoires dus à une valeur Q_rr élevée peuvent également générer des interférences électromagnétiques (EMI), qui ont un impact négatif sur les composants sensibles et l'intégrité des signaux.

La réduction de la charge Q_rr est bénéfique pour améliorer les performances, en particulier dans les applications haute fréquence où ces effets sont amplifiés, et pour garantir un fonctionnement optimal et le respect des paramètres EMI. Du point de vue de la conception du produit, une charge plus faible peut offrir les avantages suivants :

• Pertes de commutation réduites grâce à une dissipation d'énergie minimisée
• Rendement amélioré grâce à une meilleure utilisation de l'énergie
• Performances thermiques améliorées, avec génération de chaleur réduite lors de la commutation
• EMI atténuées grâce à des pointes de tension et à une oscillation réduites
• Fiabilité à long terme grâce à la réduction des contraintes lors des cycles de commutation

Généralement, plus la fréquence de l'application est élevée, plus il est crucial d'utiliser une charge Q_rr inférieure. Il est également important de déterminer comment ce facteur contribue à la génération de chaleur dans l'application, ainsi que les besoins de refroidissement qui en résultent.

Après avoir choisi un ou plusieurs MOSFET potentiels, les concepteurs peuvent utiliser des outils de simulation pour modéliser le MOSFET et voir comment la charge Q_rr se comporte dans l'application et affecte ses performances. Des tests expérimentaux avec un oscilloscope et une sonde de courant peuvent produire des mesures d'événements de commutation avec un MOSFET spécifique.

L'adaptation de ces valeurs aux besoins d'une application dépend de la recherche d'un équilibre approprié avec le rendement et d'autres paramètres tels que les performances thermiques, la transconductance, la tension de seuil et la tension directe de la diode.

Sélectionner le MOSFET de puissance approprié

Nexperia propose deux gammes de MOSFET de puissance à superjonction destinées à fournir aux concepteurs de produits un choix d'options permettant de trouver la bonne combinaison entre la puissance de commutation et les différentes exigences des applications.

Les MOSFET NextPower 80 V et 100 V de l'entreprise conviennent aux concepteurs privilégiant la commutation à haut rendement et les applications à haute fiabilité telles que les alimentations, la conception industrielle et les télécommunications. Les dispositifs délivrent une charge Q_rr de seulement 50 nC, avec un courant de recouvrement inverse (I_rr) inférieur, des pointes de tension (V_peak) plus faibles et des caractéristiques d'oscillation réduites.

Disponibles en boîtiers à clips en cuivre LFPAK56, LFPAK56E et LFPAK88, les dispositifs offrent une flexibilité de gain de place sans compromettre les performances thermiques ou la fiabilité. Les boîtiers LFPAK56/LFPAK56E mesurent 5 mm x 6 mm, ou 30 mm², soit un gain d'espace de 81 % par rapport au D² PAK à 163 mm², et 57 % par rapport au DPAK à 70 mm² (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison du boîtier LFPAK56 (à droite) avec les empreintes D²PAK (à gauche) et DPAK (au centre). (Source de l'image : Nexperia)

Le LFPAK56E (Figure 2) est une version améliorée du LFPAK56, qui atteint une résistance inférieure tout en conservant la même empreinte compacte, ce qui se traduit par un meilleur rendement. Un exemple de ce boîtier amélioré est le PSMN3R9-100YSFX, un MOSFET à canal N de 100 V, 4,3 mΩ avec un courant nominal continu de 120 A. Qualifié à +175°C, il est recommandé pour les applications industrielles et grand public, notamment un redresseur synchrone dans les convertisseurs CA/CC et CC/CC, un commutateur côté primaire pour 48 V CC/CC, la commande de moteurs BLDC, des adaptateurs USB-PD, des applications en pont complet et demi-pont, ainsi que topologies indirectes et résonantes.

Figure 2 : Boîtier LFPAK56E du PSMN3R9-100YSFX et d'autres MOSFET de puissance à superjonction NextPower 80/100 V. (Source de l'image : Nexperia)

Le NextPower PSMN2R0-100SSFJ, un MOSFET à canal N de 100 V, 2,07 mΩ, 267 A, est fourni en boîtier LFPAK88 de 8 mm x 8 mm. Il est également qualifié jusqu'à +175°C et est recommandé pour les applications industrielles et grand public telles qu'un redresseur synchrone dans les convertisseurs CA/CC et CC/CC, un commutateur côté primaire, la commande de moteurs BLDC, des applications en pont complet et demi-pont, et la protection batterie.

Pour les concepteurs souhaitant privilégier les hautes performances et la fiabilité, les MOSFET NextPowerS3 sont disponibles en versions 25 V, 30 V et 40 V avec une diode de substrat Schottky-Plus qui offre une faible R_DS(ON) et une tenue en courant continu démontrée jusqu'à 380 A. Le PSMN5R4-25YLDX, par exemple, est un MOSFET de niveau logique NextPowerS3 à canal N de 25 V, 5,69 mΩ en boîtier LFPAK56 standard.

La technologie Schottky-Plus de Nexperia fournit les performances de haut rendement et de faibles transitoires généralement associées aux MOSFET avec une diode Schottky ou de type Schottky intégrée, mais sans le courant de fuite élevé problématique, offrant une fuite < 1 μA à +25°C.

Les dispositifs NextPowerS3 sont recommandés pour une variété d'applications, y compris les solutions CC/CC embarquées pour les serveurs et les télécommunications, les modules de régulateurs de tension (VRM), les modules de point de charge (POL), l'alimentation pour les composants V-core, ASIC, DDR, GPU, VGA et système, et la commande de moteurs à balais/sans balais.

Les dispositifs NextPowerS3 sont également disponibles dans une empreinte LFPAK33 de 3,3 mm x 3,3 mm (Figure 3), y compris le PSMN1R8-30MLHX de 30 V, adapté aux applications telles qu'un régulateur abaisseur synchrone, un redresseur synchrone dans les applications CA/CC et CC/CC, la commande de moteurs BLDC (sans balais), les fusibles électroniques et la protection batterie.

Figure 3 : Comparaison d'un boîtier NextPowerS3 LFPAK33 (à droite) avec un boîtier DPAK. (Source de l'image : Nexperia)

Conclusion

Les MOSFET de puissance à superjonction basés silicium sont indispensables pour atteindre l'équilibre entre performances, rendement et rentabilité, requis pour de nombreuses nouvelles applications électroniques de puissance. Les gammes de MOSFET NextPowerS3 et NextPower 80/100 V de Nexperia offrent aux concepteurs de produits un choix de caractéristiques pour répondre à ces exigences, et elles sont disponibles en boîtiers LFPAK compacts et thermiquement améliorés pour une densité de puissance et une fiabilité optimisées.