Les MOSFET à grille en tranchée nouvelle génération de Toshiba améliorent le rendement et la densité de puissance

Les performances réelles et les spécifications de la fiche technique ne correspondent pas toujours lors de la sélection d'un MOSFET pour alimenter les applications avec un meilleur rendement, une conception plus compacte et des caractéristiques de commutation fiables. Un MOSFET peut sembler répondre aux calculs de conception, mais présenter des performances inférieures une fois la conception finalisée, en raison de facteurs tels que les pertes de commutation, le comportement de recouvrement des diodes et les contraintes thermiques.

Choisir le bon MOSFET peut faire toute la différence entre un produit fonctionnant efficacement sans surchauffer et un produit surchauffant ou gaspillant de l'énergie. Les paramètres importants qui contribuent à la réussite des applications sont les suivants :

• La résistance à l'état passant (R_DS(on)) désigne la résistance présentée par le MOSFET lorsqu'il est complètement activé. Une résistance R_DS(on) plus faible implique moins d'énergie gaspillée sous forme de chaleur, ce qui a un impact direct sur l'efficacité avec laquelle un dispositif peut conduire le courant.
• La charge de grille (Q_g) totale définit la quantité de charge électrique requise pour activer et désactiver le MOSFET. Une valeur Q_g plus faible permet une commutation plus rapide et plus écoénergétique, réduisant ainsi la charge sur le circuit d'attaque de grille.
• La charge de recouvrement inverse (Q_rr) correspond à la quantité de charge libérée lorsque la diode interne du MOSFET passe de l'état conducteur à l'état bloqué. Une valeur Q_rr plus faible permet d'éliminer les pics de tension pendant la commutation haute vitesse, ce qui se traduit par un fonctionnement plus silencieux et plus fiable.
• Le recouvrement de la diode de substrat détermine l'efficacité avec laquelle la diode intégrée du MOSFET peut arrêter la conduction et se réinitialiser pour le cycle suivant. Un recouvrement rapide et propre réduit le bruit électrique et la chaleur.

Les exigences de rendement augmentent à un rythme qui dépasse les capacités de nombreux étages de puissance existants. L'amélioration du rendement et de la densité de puissance dans les applications telles que les alimentations à découpage (SMPS), l'automatisation industrielle, les infrastructures de data centers et l'électronique automobile, se heurte aux limites des technologies MOSFET conventionnelles.

Avantages des MOSFET à grille en tranchée

Les MOSFET U-MOS11-H de Toshiba relèvent le défi de fournir une résistance R_DS(on) considérablement réduite, une charge de grille minimisée et des caractéristiques de recouvrement de diode améliorées grâce à une conception à grille en tranchée.

Pendant des décennies, les MOSFET ont été construits selon une configuration horizontale, et améliorer les performances impliquait généralement de sélectionner un composant plus grand. Les MOSFET à grille en tranchée utilisent une « tranchée » verticale dans le silicium pour former l'électrode de grille, plutôt qu'une surface plate. Avec cette technologie, le courant circule verticalement dans le silicium plutôt que latéralement. La grille entoure le canal plus efficacement, ce qui réduit la quantité de silicium nécessaire pour transporter le courant et réduit la résistance R_DS(on) pour une taille de puce donnée.

Les MOSFET à grille en tranchée réduisent considérablement la charge Q_rr afin d'éliminer les pics de tension importants susceptibles de se produire lors de la commutation haute vitesse, ce qui les rend parfaitement adaptés aux alimentations à haut rendement, aux convertisseurs CC/CC et aux étages de puissance automobiles ou industriels.

Le nouveau dispositif U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ (Figure 1) est un MOSFET à canal N répertorié pour 100 V avec une résistance R_DS(on) ultrafaible de seulement 2,7 mΩ (10 V_GS). Cette valeur représente une réduction d'environ 8 % de la résistance R_DS(on) par rapport à la gamme U-MOSX-H de génération précédente, ce qui se traduit par une réduction de la chaleur et une amélioration du rendement de conduction sous de lourdes charges.

Figure 1 : Le TPH2R70AR5,LQ de Toshiba est un MOSFET à grille en tranchée de nouvelle génération présentant une résistance RDS(on) plus faible, une charge de grille minimisée et des caractéristiques de recouvrement de diode améliorées. (Source de l'image : Toshiba)

La charge Q_rr de la nouvelle génération est environ 38 % inférieure à celle des dispositifs comparables de la génération précédente, réduisant ainsi les pics de tension et les interférences électromagnétiques pendant la commutation. La charge de grille totale diminue d'environ 37 %, permettant une commutation plus rapide et plus propre avec moins d'énergie consommée par le circuit d'attaque de grille.

En outre, ce MOSFET améliore d'autres paramètres clés importants pour des conceptions écoénergétiques. R_DS(on) × Q_g combine la résistance à l'état passant et la charge de grille pour illustrer le compromis global entre perte par conduction et perte de commutation. R_DS(on) × Q_rr fait de même pour la diode de substrat du MOSFET, reflétant les contraintes, la chaleur et les pics de tension qui se produisent pendant le recouvrement de la diode. Sur ces deux points, l'U-MOS11-H présente une amélioration de plus de 40 % par rapport à la génération précédente, offrant aux ingénieurs une marge thermique accrue et un fonctionnement plus propre sans augmenter l'empreinte du boîtier.

Des conceptions plus petites et plus légères

Alors que la demande en matière d'alimentations à découpage et de convertisseurs CC/CC compacts et efficaces augmente dans les applications telles que les serveurs et l'infrastructure 5G, les MOSFET tels que l'U-MOS-11-H sont essentiels pour permettre des conceptions plus petites et plus légères avec une haute densité de puissance. Des pertes de commutation et par conduction plus faibles améliorent le rendement énergétique, diminuent les besoins de refroidissement et peuvent réduire les coûts globaux du système et la complexité de la conception.

L'U-MOS11-H est un bloc fonctionnel MOSFET fiable et bien documenté pour les projets d'alimentation standard, offrant une facilité d'utilisation sans circuits d'attaque de grille complexes ou exigences particulières. Il offre un équilibre optimal entre rendement, fiabilité et simplicité de mise en œuvre.

Pour les applications avancées, ces derniers MOSFET de Toshiba permettent de repousser les limites de la densité de puissance et du rendement thermique, en prenant en charge des conceptions telles que les alimentations à découpage compactes, les alimentations de serveurs ou de stations de travail haute densité et les systèmes alimentés par batterie ou par moteur — et ce avec une structure MOSFET silicium bien établie.

D'un point de vue stratégique, l'U-MOS11-H combine les avantages éprouvés de la technologie MOSFET silicium de confiance avec les dernières améliorations de rendement et de commutation pour fournir aux ingénieurs une solution hautes performances, ce qui en fait un choix convaincant avec les solutions d'étage de puissance les plus avancées.

Conclusion

En tirant parti des avantages éprouvés et rentables des MOSFET silicium, tels que la fiabilité, la large disponibilité et les performances prévisibles, et des dernières améliorations des performances, les MOSFET U-MOS11-H de Toshiba permettent aux concepteurs de créer une électronique de puissance plus compacte, plus efficace et plus fiable pour les applications exigeantes d'aujourd'hui.