Introduzione
La crescente domanda di efficienza nell'elettronica di potenza rende necessaria la continua ricerca delle migliori soluzioni possibili. Applicazioni come alimentatori, controllo motori, energie rinnovabili e tecnologie di illuminazione sono esempi tipici di mercati in rapida crescita che richiedono semiconduttori di potenza in grado di massimizzare la redditività economica. Ciò implica la massima efficienza sia in condizioni statiche che a frequenze di commutazione sempre più elevate. Le strutture a semiconduttore convenzionali, come la costruzione planare di un MOSFET di potenza, sono spesso al limite delle loro capacità fisiche. Pertanto, Renesas ha sviluppato una linea completamente nuova di MOSFET di potenza con una cosiddetta struttura Superjunction. Questa soddisfa i requisiti sia per il funzionamento statico che dinamico. I parametri tipici per le proprietà statiche e dinamiche sono rispettivamente RDSON (resistenza drain-source nello stato di conduzione) e QGD (carica gate-drain).
Principi fondamentali delle perdite di potenza, equazioni e parametri.
In un MOSFET di potenza, il cosiddetto RDSON influenza notevolmente le perdite.
Perdite di potenza di un MOSFET di potenza in modalità statica.
Durante la commutazione, le perdite nella struttura del diodo devono essere sommate per calcolare le perdite totali. Si applicano la seguente equazione e la sua approssimazione:
scambiando i simboli “u, U” con “v, V”:
Perdite nella struttura del diodo:
la potenza nello stadio di controllo può essere considerata una perdita. Il carico di gate QG influenza notevolmente queste perdite. Il calcolo viene eseguito come segue:
cambiare in
Pertanto, sia RDSON che QG influiscono sulle perdite. Il termine "fattore di merito" (FOM) combina entrambi i parametri tramite moltiplicazione. Questo è un modo semplice per valutare l'efficienza.
Il simbolo “QGD” viene utilizzato anche per il carico di scarico della porta.
1. Pton: accensione, perdite di commutazione, processo di accensione.
Pton=1/6x ž1xV1xtw1xf, = 1/6x7.8Ax84Vx0.5usx48.8kHz,=2.66W.
2. Put, perdita statica.
Pon=ž22xRDS(on)(max)xaxtw2xf,=4A2x0.16Wx2.0x11.5usx48.8kHz,=2.87W
. 3. Ptoff: spegnimento, perdite di commutazione, processo di spegnimento.
Ptoff=1/6x ž2xV2xtw3xf, = 1/6x4.0Ax54Vx0.3usx48.8kHz,=0.53W.
4. Ptotal, perdite di potenza totali.
Ptotale=Pton+Pon+Ptoff,=2,66W+2,60W+0,53W,=5,8W.
Renesas ha sviluppato una linea completamente nuova di MOSFET di potenza a supergiunzione (SJ-PMOSFET). Il loro intervallo di tensione di 600V/650V, insieme a un intervallo di corrente da 6,1A a 55A, copre la maggior parte delle applicazioni di consumo e industriali. I bassi valori di RDSON e QG raggiunti si traducono in un FOM che fornisce una base ideale per la progettazione di circuiti a basso consumo energetico. Per quanto riguarda la gamma di perdite statiche, questa linea di prodotti offre diversi vantaggi rispetto alle strutture MOSFET di potenza convenzionali. Alle frequenze più elevate (> 50 kHz), gli SJ-PMOSFET sono significativamente superiori anche agli IGBT in termini di perdite di potenza totali.
Esempi di package standard:
i SJ-PMOSFET sono tipicamente realizzati su un substrato N+. La struttura è composta da più colonne stratificate con materiale drogato P su un materiale a basso drogaggio N. Un processo di crescita epitassiale a più stadi costruisce le colonne strato per strato, aumentando lo spessore complessivo dello strato impiantato fino al raggiungimento della tolleranza di stress richiesta. Questa versione del processo è mostrata di seguito nella Figura 1 (al centro). Tuttavia, lo svantaggio di questo processo di produzione è la crescita epitassiale relativamente lenta degli strati delle colonne e la sua complessità dovuta alle molteplici ripetizioni delle fasi.
Renesas ha sviluppato un nuovo metodo proprietario per la costruzione di strutture supergiunte che evita gli inconvenienti sopra menzionati. Renesas applica la tecnica della trincea profonda, un processo di produzione che prevede l'incisione di trincee nel materiale di tipo N a basso drogaggio per creare regioni di materiale di tipo P. La Figura 1 (a destra) illustra la struttura a trincea profonda. Grazie a un processo di produzione affidabile, all'allineamento e al drogaggio di alta precisione della maschera, insieme alla miniaturizzazione delle colonne di materiale di tipo P, si ottengono valori RDSON molto bassi e una capacità interna estremamente bassa, che a loro volta portano a bassi valori QG (QGD). Ciò si traduce nei migliori valori FOM.
La Figura 2 mostra la sezione trasversale di una struttura a trincea profonda.
Un membro di questa famiglia è il dispositivo RJK60S5DPK, con valori nominali massimi assoluti di 600 V e 20 A. Offre risultati eccellenti in termini di perdite statiche e proprietà di commutazione. La resistenza specifica per unità di area è inferiore di circa il 52% rispetto ai progetti convenzionali. I valori di carico gate-drain (GDL) eccezionalmente bassi, inferiori di circa l'80% rispetto ai progetti convenzionali, consentono una commutazione rapida con perdite minime. I vantaggi per l'utente, rispetto ai progetti convenzionali, includono una bassa generazione di calore, che consente la realizzazione di circuiti compatti, l'utilizzo di package più piccoli e l'applicazione di dissipatori di calore adeguati.
Una versione derivata di questo dispositivo incorpora un diodo a recupero rapido che, grazie alla sua maggiore velocità di commutazione, riduce ulteriormente le perdite di potenza durante la commutazione, minimizzando così la generazione di calore (Figura 4).
Nei prossimi anni, la famiglia SJ-PMOSFET verrà continuamente ampliata con ulteriori intervalli di corrente e versioni a tensione più elevata. Inoltre, Renesas offrirà versioni ottimizzate per aree di applicazione specifiche.
Esempio applicativo: Alimentatore.
L'alimentatore può essere citato come esempio della crescente esigenza di efficienza in un'applicazione.
L'esempio mostra la topologia circuitale (Figura 5) di un alimentatore con rettifica sincrona. La topologia include un controllo di correzione del fattore di potenza (PFC) e un semiponte, entrambi dotati di MOSFET SJ-PMOSFET a gola profonda sul lato primario. Il lato secondario incorpora MOSFET di potenza a media tensione con tolleranze di tensione di 60 V. Oltre ai componenti discreti, Renesas fornisce anche altri componenti essenziali come il circuito integrato PFC e i circuiti integrati per la rettifica sincrona, optoaccoppiatori per segnali di controllo galvanicamente isolati e un microcontrollore per il controllo generale.
I transistor SJ-PMOSFET implementati contribuiscono in modo determinante all'aumento dell'efficienza.
Il diagramma in Figura 6 mostra l'incremento di efficienza ottenuto con il transistor SJ-PMOSFET a "trincea profonda" qui presentato e viene confrontato con un prodotto della concorrenza dotato di una struttura SJ epitassiale.
Supporto online per la selezione dei prodotti:
grazie alla ristrutturazione e al miglioramento del supporto per le ricerche di riferimento incrociato e parametriche, Renesas ha semplificato notevolmente il processo di selezione dei prodotti. Il supporto applicativo aggiuntivo, che va oltre la semplice selezione del dispositivo, offre un considerevole valore aggiunto all'utente.
Il supporto per la selezione dei prodotti presentato di seguito è accessibile tramite un sito web centralizzato: http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp
La chiara rappresentazione grafica del diagramma di flusso (Figura 7) facilita la selezione del prodotto. Partendo da un'applicazione pianificata e da una topologia di circuito da sviluppare, cliccando sul campo appropriato si attiva la funzione desiderata, come la ricerca di riferimenti incrociati, la ricerca parametrica o la panoramica del prodotto.
Il sito web di riferimento incrociato http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch ti aiuta a trovare il dispositivo Renesas più simile a un determinato dispositivo della concorrenza; sono disponibili diverse opzioni, ove necessario. I parametri più importanti vengono visualizzati direttamente ed è possibile scaricare immediatamente la scheda tecnica completa.
È possibile effettuare riferimenti incrociati non solo per la nuova serie di prodotti SJ-PMOSFET, ma per l'intera gamma di prodotti.
Per molti prodotti, in particolare per i SJ-PMOSFET, è possibile scaricare anche i parametri SPICE, in modo da poter simulare il comportamento di base del dispositivo anche prima che siano disponibili i campioni.
Un altro strumento per la selezione dei prodotti è lo strumento di ricerca parametrica, accessibile tramite questo sito web:
http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion=
Qui è possibile affinare la ricerca dei prodotti desiderati inserendo o selezionando parametri tramite clic o spostamento del cursore. Verrà quindi visualizzato l'elenco dei prodotti corrispondenti.
Un'altra caratteristica molto pratica di questo strumento è la possibilità di esportare l'elenco delle proposte in un foglio di calcolo Excel per ulteriori elaborazioni.
Un altro strumento di selezione dei prodotti utilizza come punto di partenza l'applicazione da sviluppare e la sua topologia, anziché le caratteristiche del prodotto. Questo approccio pratico consente allo sviluppatore di ottenere una panoramica dei dispositivi proposti per le topologie di circuito da sviluppare.
Supporto per la simulazione online
Oltre alla possibilità di analizzare l'idoneità di base del SJ-PMOSFET nel circuito tramite i parametri SPICE sul proprio computer, Renesas offre anche un ambiente di simulazione completo chiamato "Powere SIM" sul proprio sito web.
Questo strumento è offerto gratuitamente all'utente. Ad esempio, partendo dalla topologia e dai componenti del circuito selezionato, è possibile simulare forme d'onda del segnale, risposta in frequenza, comportamento termico, efficienza e altro ancora. Questo ambiente di simulazione viene continuamente migliorato e offre una piattaforma ideale per consentire agli utenti di accelerare significativamente il processo di sviluppo con il minimo sforzo.
In sintesi:
con la sua nuova serie di MOSFET di potenza a supergiunzione (SJ-PMOSFET) basati su una tecnologia proprietaria a trincea profonda, Renesas ha stabilito un nuovo punto di riferimento tra i semiconduttori di potenza ad alta efficienza. Ciò consente un significativo aumento dell'efficienza applicativa. Il processo produttivo è interamente proprietario, garantendo una qualità del prodotto costantemente elevata.
Renesas offre agli utenti una suite completa di strumenti online per la selezione dei prodotti, tutti accessibili centralmente tramite il sito web. La selezione dei prodotti in base alla topologia del circuito previsto è una nuova funzionalità che rende il processo di selezione ancora più efficace. I prodotti selezionati in questo modo possono essere simulati direttamente sui circuiti utilizzando lo strumento online gratuito "Powere SIM", accelerando il processo di sviluppo.
L'identificazione e l'implementazione dei prodotti sono state semplificate!
Autore:
A cura di: Steffen Hering, Responsabile Prodotto A&P,
Renesas Electronics Europe
