Introduction
La demande croissante d'efficacité dans l'électronique de puissance impose la recherche constante des meilleures solutions. Les alimentations électriques, la commande de moteurs, les énergies renouvelables et les technologies d'éclairage sont des exemples typiques de marchés en forte croissance qui nécessitent des semi-conducteurs de puissance offrant une rentabilité maximale. Ceci implique une efficacité optimale en fonctionnement statique ainsi qu'à des fréquences de commutation toujours plus élevées. Les structures de semi-conducteurs conventionnelles, telles que la construction planaire d'un MOSFET de puissance, atteignent souvent leurs limites physiques. C'est pourquoi Renesas a développé une toute nouvelle gamme de MOSFET de puissance dotés d'une structure dite de superjonction. Celle-ci répond aux exigences de fonctionnement statique et dynamique. Les paramètres caractéristiques des propriétés statiques et dynamiques sont respectivement la résistance drain-source à l'état passant (RDSON) et la charge grille-drain (QGD).
Principes fondamentaux des pertes de puissance : équations et paramètres.
Dans un MOSFET de puissance, la résistance à l’état passant (RDSON) influe fortement sur les pertes.
Pertes de puissance d’un MOSFET de puissance en mode statique.
Lors de la commutation, les pertes dans la structure de la diode doivent être additionnées pour calculer les pertes totales. L'équation suivante et son approximation sont appliquées :
en échangeant les symboles « u, U » contre « v, V » :
Pertes dues à la structure de la diode :
La puissance consommée par l’étage de commande peut être considérée comme une perte. La charge de grille QG influe fortement sur ces pertes. Le calcul est effectué comme suit :
changer à
Par conséquent, RDSON et QG influent tous deux sur les pertes. Le terme « facteur de mérite » (FOM) combine ces deux paramètres par multiplication. Il s'agit d'une méthode simple pour évaluer l'efficacité.
Le symbole « QGD » est également utilisé pour la charge de la bonde de porte.
1. Pton : Pertes à l'amorçage, processus d'amorçage.
Pton = 1/6 × ΔV₁ × tw₁ × f = 1/6 × 7,8 A × 84 V × 0,5 µs × 48,8 kHz = 2,66 W.
2. Put : Pertes statiques.
Pon = Δ² × RDS(on)(max) × axtw² × f = 4 A² × 0,16 W × 2,0 × 11,5 µs × 48,8 kHz = 2,87 W.
3. Ptoff : Pertes à la coupure, processus de coupure.
Ptoff = 1/6 × ΔV₂ × tw₃ × f = 1/6 × 4,0 A × 54 V × 0,3 µs × 48,8 kHz = 0,53 W.
4. Ptotal : Pertes de puissance totales.
Ptotal=Pton+Pon+Ptoff,=2,66W+2,60W+0,53W,=5,8W.
Renesas a développé une toute nouvelle gamme de MOSFET de puissance à superjonction (SJ-PMOSFET). Leur plage de tension de 600 V/650 V, associée à une plage de courant de 6,1 A à 55 A, couvre la plupart des applications grand public et industrielles. Les faibles valeurs de RDSON et de QG obtenues permettent d'obtenir un facteur de mérite (FOM) idéal pour la conception de circuits à faible consommation. En termes de pertes statiques, cette gamme de produits présente plusieurs avantages par rapport aux structures de MOSFET de puissance classiques. Aux hautes fréquences (> 50 kHz), les SJ-PMOSFET sont nettement plus performants que les IGBT en termes de pertes de puissance totales.
Exemples de boîtiers standard :
les transistors SJ-PMOSFET sont généralement fabriqués sur un substrat N+. Leur structure est composée de plusieurs colonnes constituées de couches de matériau dopé P sur un matériau faiblement dopé N. Un procédé de croissance épitaxiale en plusieurs étapes permet de construire les colonnes couche par couche, augmentant ainsi l’épaisseur totale de la couche implantée jusqu’à l’obtention de la tolérance aux contraintes requise. Cette variante du procédé est illustrée ci-dessous (figure 1, au centre). Cependant, ce procédé de fabrication présente l’inconvénient d’une croissance épitaxiale relativement lente des couches de colonnes et sa complexité due à la répétition des étapes.
Renesas a mis au point une nouvelle méthode exclusive de fabrication de structures à superjoints qui s'affranchit des inconvénients mentionnés précédemment. Cette méthode repose sur la technique de gravure profonde, un procédé de production qui consiste à graver des tranchées dans un matériau de type N faiblement dopé afin de créer des régions de matériau de type P. La figure 1 (à droite) illustre la structure à gravure profonde. Grâce à un procédé de production fiable, un alignement et un dopage de haute précision des masques, ainsi qu'à la miniaturisation des colonnes de matériau de type P, on obtient des valeurs de RDSON très faibles et une capacité interne extrêmement faible, ce qui se traduit par de faibles valeurs de QG (QGD) et, par conséquent, des valeurs de FOM optimales.
La figure 2 présente la section transversale d'une structure à gravure profonde.
Parmi les composants de cette famille, on trouve le RJK60S5DPK, avec des valeurs maximales absolues de 600 V et 20 A. Il offre d'excellentes performances en termes de pertes statiques et de commutation. Sa résistance spécifique est environ 52 % inférieure à celle des composants conventionnels. Des valeurs de charge grille-drain (GDL) exceptionnellement basses, environ 80 % inférieures à celles des composants conventionnels, permettent une commutation rapide avec des pertes minimales. Comparé aux composants conventionnels, il présente plusieurs avantages pour l'utilisateur : une faible dissipation thermique, permettant la conception de circuits compacts, l'utilisation de boîtiers plus petits et l'application de dissipateurs thermiques adaptés.
Une version dérivée de ce composant intègre une diode de récupération rapide qui, grâce à sa vitesse de commutation plus élevée, réduit davantage les pertes de puissance lors de la commutation, minimisant ainsi la génération de chaleur (Figure 4).
Au cours des prochaines années, la famille de transistors SJ-PMOSFET sera continuellement enrichie de nouvelles plages de courant et de versions à tension plus élevée. De plus, Renesas proposera des versions optimisées pour des applications spécifiques.
Exemple d'application : Alimentation.
Cette alimentation illustre la demande croissante d'efficacité dans les applications.
L'exemple présenté (Figure 5) décrit le schéma d'une alimentation à redressement synchrone. Ce schéma comprend un correcteur de facteur de puissance (PFC) et un demi-pont, tous deux équipés de transistors SJ-PMOSFET à gorge profonde côté primaire. Le côté secondaire intègre des MOSFET de puissance moyenne tension supportant une tension de 60 V. Outre les composants discrets, Renesas fournit également d'autres composants essentiels tels que le circuit intégré PFC et les circuits intégrés de redressement synchrone, des optocoupleurs pour les signaux de commande isolés galvaniquement et un microcontrôleur pour la gestion globale.
Les transistors SJ-PMOSFET mis en œuvre contribuent de manière décisive à l'amélioration du rendement.
Le diagramme de la figure 6 illustre le gain de rendement obtenu avec le transistor SJ-PMOSFET à tranchée profonde présenté ici et le compare à celui d'un produit concurrent doté d'une structure SJ épitaxiale.
Assistance en ligne pour la sélection des produits :
En restructurant et en améliorant son assistance pour les recherches croisées et paramétriques, Renesas a considérablement simplifié le processus de sélection des produits. L’assistance applicative supplémentaire, qui va au-delà de la simple sélection d’un appareil, offre une valeur ajoutée considérable à l’utilisateur.
L'aide à la sélection des produits présentée ci-dessous est accessible via un site web centralisé : http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp
La clarté du schéma (Figure 7) facilite la sélection du produit. À partir d'une application prévue et d'une topologie de circuit à développer, un clic sur le champ approprié active la fonction souhaitée : recherche par références croisées, recherche paramétrique ou aperçu du produit.
Le site de comparaison de produits http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch vous aide à trouver le dispositif Renesas le plus proche de celui d'un concurrent donné ; plusieurs options sont proposées le cas échéant. Les paramètres les plus importants sont affichés directement et la fiche technique complète peut être téléchargée instantanément.
Les références croisées sont disponibles non seulement pour la nouvelle série de produits SJ-PMOSFET, mais pour l'ensemble de la gamme.
Pour de nombreux produits, notamment les SJ-PMOSFET, les paramètres SPICE peuvent également être téléchargés afin que le comportement de base du dispositif puisse être simulé avant même que des échantillons ne soient disponibles.
Un autre outil de sélection de produits est l'outil de recherche paramétrique, accessible via ce site web :
http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion=
Ici, la recherche des produits souhaités peut être affinée en saisissant ou en sélectionnant des paramètres par clic ou en déplaçant le curseur. La liste des produits correspondants s'affiche alors.
Une autre fonctionnalité très pratique de cet outil est la possibilité d'exporter la liste des propositions vers une feuille de calcul Excel pour un traitement ultérieur.
Un autre outil de sélection de produits utilise l'application à développer et sa topologie comme point de départ, plutôt que les caractéristiques du produit. Cette approche pratique permet au développeur d'avoir une vue d'ensemble des composants proposés pour les topologies de circuits à développer.
Assistance à la simulation en ligne
Outre la possibilité d'analyser l'adéquation de base du SJ-PMOSFET dans le circuit à l'aide des paramètres SPICE sur notre propre ordinateur, Renesas propose également un environnement de simulation complet appelé « Powere SIM » sur son site web.
Cet outil est offert gratuitement à l'utilisateur. À partir de la topologie et des composants du circuit sélectionné, il permet, par exemple, de simuler les formes d'onde du signal, la réponse en fréquence, le comportement thermique, le rendement, etc. Cet environnement de simulation, constamment amélioré, constitue une plateforme idéale pour accélérer considérablement le processus de développement avec un minimum d'efforts.
Résumé :
Avec sa nouvelle série de MOSFET de puissance à superjonction (SJ-PMOSFET) basée sur une technologie propriétaire de gravure profonde, Renesas établit une nouvelle référence dans le domaine des semi-conducteurs de puissance à haut rendement. Cette technologie permet une augmentation significative du rendement des applications. Le processus de production, entièrement propriétaire, garantit une qualité de produit élevée et constante.
Renesas met à la disposition des utilisateurs une suite complète d'outils de sélection de produits en ligne, accessibles depuis son site web. La sélection des produits en fonction de la topologie du circuit prévue est une nouvelle fonctionnalité qui optimise encore davantage le processus de sélection. Les produits ainsi sélectionnés peuvent être simulés directement sur des circuits grâce à l'outil en ligne gratuit « Powere SIM », accélérant ainsi le développement.
L'identification et la mise en œuvre des produits sont simplifiées !
Auteur:
Par : Steffen Hering, Gestion des produits A&P,
Renesas Electronics Europe
