Introdução
A crescente procura de eficiência em electrónica de potência exige a procura contínua das melhores soluções possíveis. Aplicações como fontes de alimentação, controlo de motores, energias renováveis e tecnologias de iluminação são exemplos típicos de mercados em rápido crescimento que requerem semicondutores de potência que maximizem a viabilidade económica. Isto implica a mais elevada eficiência tanto em operação estática como em frequências de comutação cada vez mais elevadas. As estruturas semicondutoras convencionais, como a construção planar de um MOSFET de potência, atingem frequentemente os seus limites físicos. Por conseguinte, a Renesas desenvolveu uma linha completamente nova de MOSFETs de potência com uma estrutura denominada Superjunção. Esta estrutura cumpre os requisitos tanto para operação estática como dinâmica. Os parâmetros típicos para as propriedades estáticas e dinâmicas são RDSON (resistência dreno-fonte no estado de condução) e QGD (carga porta-dreno), respetivamente.
Fundamentos das Perdas de Potência, Equações e Parâmetros.
Num MOSFET de potência, o chamado RDSON influencia significativamente as perdas.
Perdas de potência de um MOSFET de potência em modo estático.
Durante a comutação, as perdas na estrutura do díodo devem ser somadas para calcular as perdas totais. Esta equação e a sua aproximação são aplicadas:
trocando os símbolos “u, U” por “v, V”:
Perdas na estrutura do díodo:
A potência consumida no estágio de controlo pode ser considerada uma perda. A carga de porta QG influencia significativamente estas perdas. O cálculo é realizado da seguinte forma:
mudar para
Portanto, tanto o RDSON como o QG influenciam as perdas. O termo "fator de mérito" (FOM) combina ambos os parâmetros através da multiplicação. Esta é uma forma simples de avaliar a eficiência.
O símbolo “QGD” também é utilizado para a carga do dreno da porta.
1. Pton: Potência de ativação, Perdas de comutação, Processo de ativação.
Pton = 1/6 x 1 x V1 x tw1 x f, = 1/6 x 7,8 A x 84 V x 0,5 µs x 48,8 kHz, = 2,66 W.
2. Pt: Perda estática.
Pton = 22 x RDS(on)(max) x tw2 x f, = 4 A2 x 0,16 W x 2,0 x 11,5 µs x 48,8 kHz, = 2,87
3. Ptoff: Potência de desativação, Perdas de comutação, Processo de desativação.
Ptoff = 1/6 x 2 x V2 x tw3 x f, = 1/6 x 4,0 A x 54 V x 0,3 µs x 48,8 kHz, = 0,53 W.
4. Ptotal: Perdas totais de potência.
Ptotal=Pton+Pon+Ptoff,=2,66W+2,60W+0,53W,=5,8W.
A Renesas desenvolveu uma linha completamente nova de MOSFETs de potência de superjunção (SJ-PMOSFETs). A sua gama de tensão de 600 V/650 V, juntamente com uma gama de corrente de 6,1 A a 55 A, abrange a maioria das aplicações industriais e de consumo. Os baixos valores de RDSON e QG alcançados resultam num FOM que fornece uma base ideal para o design de circuitos energeticamente eficientes. Para a gama de perdas estáticas, esta linha de produtos oferece diversas vantagens em relação às estruturas convencionais de MOSFETs de potência. A frequências mais elevadas (> 50 kHz), os SJ-PMOSFET são significativamente superiores mesmo aos IGBT em termos de perdas totais de potência.
Exemplos de encapsulamentos standard:
Os MOSFETs SJ-P são tipicamente construídos sobre um substrato N+. A estrutura consiste em múltiplas colunas com camadas de material dopado com P sobre um material com baixa dopagem de N. Um processo de crescimento epitaxial em múltiplos estágios constrói as colunas camada a camada, aumentando a espessura total da camada implantada até que a tolerância à tensão necessária seja atingida. Esta versão do processo é apresentada abaixo na Figura 1 (centro). No entanto, a desvantagem deste processo de produção é o crescimento epitaxial relativamente lento das camadas de coluna e a sua complexidade devido às múltiplas repetições das etapas.
A Renesas desenvolveu um novo método proprietário para construir estruturas de superjuntas que evita as desvantagens anteriormente mencionadas. A Renesas aplica a técnica de trincheira profunda, um processo de produção que envolve a gravação de trincheiras no material tipo N de baixa dopagem para criar regiões de material tipo P. A Figura 1 (à direita) ilustra a estrutura de trincheira profunda. Graças a um processo de produção fiável, alinhamento e dopagem de máscara de alta precisão, juntamente com a miniaturização das colunas de material tipo P, são alcançados valores de RDSON muito baixos e uma capacitância interna extremamente baixa, o que, por sua vez, leva a baixos valores de QG (QGD). Isto resulta nos melhores valores de FOM.
A Figura 2 mostra a secção transversal de uma estrutura de trincheira profunda.
Um membro da família é o dispositivo RJK60S5DPK, com classificações máximas absolutas de 600 V e 20 A. Consegue excelentes resultados em termos de perdas estáticas e propriedades de comutação. A resistividade por unidade de área é aproximadamente 52% inferior à dos projetos convencionais. Valores de carga entre porta e dreno (GDL) excecionalmente baixos, cerca de 80% mais baixos do que nos projetos convencionais, permitem uma comutação rápida com perdas mínimas. As vantagens para o utilizador, em comparação com os projetos convencionais, incluem a baixa geração de calor, permitindo projetos de circuitos compactos, a utilização de encapsulamentos mais pequenos e a aplicação de dissipadores de calor adequados.
Uma versão derivada deste dispositivo incorpora um díodo de recuperação rápida que, graças à sua maior velocidade de comutação, reduz ainda mais as perdas de energia durante a comutação, minimizando assim a geração de calor (Figura 4).
Nos próximos anos, a família SJ-PMOSFET será continuamente expandida com gamas de corrente adicionais e versões de tensão mais elevadas. Além disso, a Renesas oferecerá versões otimizadas para áreas de aplicação específicas.
Exemplo de aplicação: Fonte de alimentação.
A fonte de alimentação pode ser citada como exemplo da crescente procura de eficiência nas aplicações.
O exemplo mostra a topologia do circuito (Figura 5) de uma fonte de alimentação com retificação síncrona. A topologia inclui um controlo de correção do fator de potência (PFC) e uma meia-ponte, ambos equipados com MOSFETs SJ-PMOS de ranhura profunda no lado primário. O lado secundário incorpora MOSFETs de potência de média tensão com tolerâncias de tensão de 60 V. Além dos componentes discretos, a Renesas também fornece outros componentes essenciais, como o CI de PFC e os CIs para retificação síncrona, optoacopladores para sinais de controlo com isolamento galvânico e um microcontrolador para os controlos gerais.
Os SJ-PMOSFET implementados contribuem decisivamente para o aumento da eficiência.
O diagrama da Figura 6 mostra o aumento de eficiência obtido com o SJ-PMOSFET de "trincheira profunda" aqui apresentado e compara-o com o produto de um concorrente com estrutura SJ epitaxial.
Suporte online para seleção de produtos:
Ao reestruturar e melhorar o suporte para pesquisas por referência cruzada e paramétricas, a Renesas simplificou significativamente o processo de seleção de produtos. O suporte adicional a aplicações, que vai para além da simples seleção de dispositivos, oferece um valor acrescentado considerável ao utilizador.
O suporte para a seleção de produtos apresentado abaixo pode ser acedido através de um site centralizado: http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp
O design gráfico claro de um fluxograma (Figura 7) auxilia na seleção do produto. Partindo de uma aplicação planeada e de uma topologia de circuito a desenvolver, clicar no campo apropriado ativa a função desejada, como a pesquisa por referência cruzada, a pesquisa paramétrica ou a visão geral do produto.
O site de comparação de produtos http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch ajuda-o a encontrar o dispositivo Renesas equivalente mais próximo do dispositivo de um concorrente; várias opções são fornecidas quando apropriado. Os parâmetros mais importantes são apresentados diretamente e a ficha técnica completa pode ser descarregada instantaneamente.
A verificação cruzada está disponível não só para a nova série de produtos SJ-PMOSFET, mas para toda a gama de produtos.
Para muitos produtos, especialmente os SJ-PMOSFETs, os parâmetros SPICE também podem ser descarregados para que o comportamento básico do dispositivo possa ser simulado mesmo antes de as amostras estarem disponíveis.
Outra ferramenta para a seleção de produtos é a ferramenta de pesquisa paramétrica, que pode ser acedida através deste site:
http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion=
Aqui, a pesquisa dos produtos desejados pode ser refinada inserindo ou selecionando parâmetros clicando ou movendo o cursor. A lista de produtos correspondentes é então apresentada.
Outra funcionalidade muito prática desta ferramenta é a capacidade de exportar a lista de propostas para uma folha de Excel para processamento posterior.
Outra ferramenta de seleção de produtos utiliza a aplicação a desenvolver e a sua topologia como ponto de partida, em vez das características do produto. Esta abordagem prática permite ao desenvolvedor obter uma visão geral dos dispositivos propostos para as topologias de circuitos a desenvolver.
Suporte para simulação online
Para além da possibilidade de analisar a adequação básica do SJ-PMOSFET no circuito com a ajuda dos parâmetros SPICE no nosso próprio computador, a Renesas também oferece um ambiente de simulação completo denominado “Powere SIM” no seu site.
Esta ferramenta é oferecida gratuitamente ao utilizador. Por exemplo, partindo da topologia e dos componentes do circuito selecionado, pode simular formas de onda de sinal, resposta em frequência, comportamento térmico, eficiência e muito mais. Este ambiente de simulação está em constante melhoria e oferece uma plataforma ideal para que os utilizadores acelerem significativamente o processo de desenvolvimento com o mínimo esforço.
Resumo:
Com a sua nova série de MOSFETs de potência de superjunção (SJ-PMOSFETs) baseados na tecnologia proprietária de trincheira profunda, a Renesas estabeleceu um novo padrão entre os semicondutores de potência de alta eficiência. Isto possibilita um aumento significativo da eficiência das aplicações. O processo de produção é totalmente proprietário, garantindo uma elevada qualidade consistente do produto.
A Renesas oferece aos utilizadores um conjunto abrangente de ferramentas online para a seleção de produtos, todas acessíveis centralmente através do site. A seleção de produtos com base na topologia do circuito pretendido é uma nova funcionalidade que torna o processo de seleção ainda mais eficaz. Os produtos selecionados desta forma podem ser simulados diretamente em circuitos através da ferramenta online gratuita "Powere SIM", acelerando o processo de desenvolvimento.
A identificação e implementação de produtos foram simplificadas!
Autor:
Por: Steffen Hering, A&P Product Management,
Renesas Electronics Europe
