Введение.
Растущий спрос на эффективность в силовой электронике обуславливает постоянный поиск оптимальных решений. Типичными примерами таких областей применения являются источники питания, управление двигателями, возобновляемая энергия и технологии освещения, которые востребованы на быстрорастущих рынках и требуют силовых полупроводников, обеспечивающих максимальную экономическую целесообразность. Это подразумевает высочайшую эффективность как в статическом режиме работы, так и при постоянно возрастающих частотах переключения. Традиционные полупроводниковые структуры, такие как планарная конструкция силового MOSFET, часто находятся на пределе своих физических возможностей. Поэтому компания Renesas разработала совершенно новую линейку силовых MOSFET с так называемой суперпереходной структурой. Она отвечает требованиям как статического, так и динамического режима работы. Типичными параметрами для статических и динамических свойств являются RDSON (сопротивление сток-исток в состоянии проводимости) и QGD (заряд затвор-сток) соответственно.
Основы потерь мощности, уравнения и параметры.
В силовом MOSFET-транзисторе так называемый RDSON оказывает значительное влияние на потери.
Потери мощности силового MOSFET-транзистора в статическом режиме.
В процессе переключения необходимо суммировать потери в структуре диода для расчета общих потерь. Применяется следующее уравнение и его приближение:
путем замены символов «u, U» на «v, V»:
Потери в структуре диода:
Мощность на этапе управления можно считать потерями. На эти потери существенно влияет нагрузка затвора (квантовый генератор). Расчет выполняется следующим образом:
изменить на
Таким образом, как RDSON, так и QG влияют на потери. Термин «коэффициент качества» (FOM) объединяет оба параметра путем умножения. Это простой способ оценки эффективности.
Символ «QGD» также используется для обозначения нагрузки на слив двери.
1. Pton: включение, потери при переключении, процесс включения.
Pton = 1/6 x ž1 x V1 x tw1 x f, = 1/6 x 7,8 А x 84 В x 0,5 мкс x 48,8 кГц, = 2,66 Вт.
2. Put: статические потери.
Pon = ž22 x RDS(on)(max) x × tw2 x f, = 4 А x 0,16 Вт x 2,0 x 11,5 мкс x 48,8 кГц, = 2,87 Вт
3. Ptoff: выключение, потери при переключении, процесс выключения.
Ptoff = 1/6 x ž2 x V2 x tw3 x f, = 1/6 x 4,0 А x 54 В x 0,3 мкс x 48,8 кГц, = 0,53 Вт.
4. Ptotal: общие потери мощности.
Ptotal=Pton+Pon+Ptoff,=2,66Вт+2,60Вт+0,53Вт,=5,8Вт.
Компания Renesas разработала совершенно новую линейку силовых MOSFET-транзисторов с суперпереходом (SJ-PMOSFET). Диапазон напряжений 600 В/650 В, а также диапазон токов от 6,1 А до 55 А охватывают большинство бытовых и промышленных применений. Низкие значения RDSON и QG обеспечивают показатель качества (FOM), который идеально подходит для проектирования энергоэффективных схем. В диапазоне статических потерь эта линейка продуктов предлагает ряд преимуществ по сравнению с традиционными силовыми MOSFET-структурами. На более высоких частотах (> 50 кГц) SJ-PMOSFET значительно превосходят даже IGBT по суммарным потерям мощности.
Примеры стандартных корпусов:
SJ-PMOSFET обычно создаются на подложке с легированием N+. Структура состоит из нескольких столбцов, слоистых с легированием фосфором на подложке с низким легированием азотом. Многоступенчатый процесс эпитаксиального роста позволяет создавать столбцы слой за слоем, увеличивая общую толщину имплантированного слоя до достижения требуемой устойчивости к напряжениям. Этот вариант процесса показан ниже на рисунке 1 (в центре). Однако недостатком этого производственного процесса является относительно медленный эпитаксиальный рост слоев столбцов и его сложность из-за многократного повторения этапов.
Компания Renesas разработала новый запатентованный метод создания суперсоединительных структур, позволяющий избежать вышеупомянутых недостатков. Renesas применяет технологию глубоких траншей — производственный процесс, включающий травление траншей в низколегированном N-типе материала для создания областей P-типа материала. На рисунке 1 (справа) показана структура с глубокими траншеями. Благодаря надежному производственному процессу, высокоточной настройке маски и легированию, а также миниатюризации столбцов P-типа материала, достигаются очень низкие значения RDSON и чрезвычайно низкая внутренняя емкость, что, в свою очередь, приводит к низким значениям QG (QGD). Это обеспечивает наилучшие значения FOM.
На рисунке 2 показано поперечное сечение структуры с глубокими траншеями.
Одним из представителей этого семейства является устройство RJK60S5DPK с абсолютными максимальными номинальными значениями 600 В и 20 А. Оно демонстрирует превосходные результаты с точки зрения статических потерь и коммутационных характеристик. Удельное сопротивление на единицу площади примерно на 52 процента ниже, чем в традиционных конструкциях. Исключительно низкие значения нагрузки затвор-сток (GDL), примерно на 80 процентов ниже, чем в традиционных конструкциях, обеспечивают быстрое переключение с минимальными потерями. Преимущества для пользователя по сравнению с традиционными конструкциями включают низкое тепловыделение, что позволяет создавать компактные схемы, использовать корпуса меньшего размера и применять подходящие радиаторы.
В модифицированной версии этого устройства используется быстродействующий диод, который благодаря более высокой скорости переключения дополнительно снижает потери мощности во время переключения, тем самым минимизируя выделение тепла (рис. 4).
В ближайшие несколько лет семейство SJ-PMOSFET будет постоянно расширяться за счет дополнительных диапазонов тока и версий с более высоким напряжением. Кроме того, Renesas предложит оптимизированные версии для конкретных областей применения.
Пример применения: Источник питания.
Источник питания можно привести в качестве примера растущего спроса на эффективность в различных приложениях.
В примере показана топология схемы (рис. 5) источника питания с синхронным выпрямлением. Топология включает в себя схему управления коррекцией коэффициента мощности (PFC) и полумост, оба оснащены глубокими SJ-PMOSFET транзисторами на первичной стороне. На вторичной стороне используются силовые MOSFET транзисторы среднего напряжения с допуском по напряжению 60 В. Помимо дискретных компонентов, Renesas также поставляет другие важные компоненты, такие как микросхема PFC и микросхемы для синхронного выпрямления, оптопары для гальванически изолированных управляющих сигналов и микроконтроллер для общего управления.
Внедренные SJ-PMOSFET вносят решающий вклад в повышение эффективности.
На диаграмме на рисунке 6 показано увеличение эффективности, достигнутое с помощью представленного здесь SJ-PMOSFET с «глубокой траншеей», и проведено сравнение с продуктом конкурента, имеющим эпитаксиальную SJ-структуру.
Онлайн-поддержка при выборе продукции:
Благодаря реструктуризации и улучшению поддержки перекрестных ссылок и параметрического поиска, компания Renesas значительно упростила процесс выбора продукции. Дополнительная поддержка приложений, выходящая за рамки простого выбора устройства, предоставляет пользователю значительную дополнительную ценность.
Доступ к информации по выбору продукции, представленной ниже, можно получить через централизованный веб-сайт: http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp
Четкое графическое оформление блок-схемы (рис. 7) помогает в выборе продукта. Начиная с планируемого применения и разрабатываемой топологии схемы, щелчок по соответствующему полю активирует нужную функцию, такую как перекрестный поиск, параметрический поиск или обзор продукта.
Сайт перекрестных ссылок http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch поможет вам найти наиболее близкий аналог устройства Renesas для конкретного конкурента; при необходимости предлагается несколько вариантов. Наиболее важные параметры отображаются напрямую, а полный технический паспорт можно мгновенно загрузить.
Возможность перекрестной проверки доступна не только для новой серии SJ-PMOSFET, но и для всего ассортимента продукции.
Для многих изделий, особенно для SJ-PMOSFET, параметры SPICE также можно загрузить, что позволяет моделировать основные характеристики устройства еще до получения образцов.
Ещё одним инструментом для выбора продукции является параметрический поиск, доступ к которому можно получить через этот веб-сайт:
http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion=
Здесь поиск нужных товаров можно уточнить, введя или выбрав параметры щелчком мыши или перемещением курсора. После этого отобразится соответствующий список товаров.
Еще одна очень практичная функция этого инструмента — возможность экспорта списка предложений в электронную таблицу Excel для дальнейшей обработки.
Другой инструмент выбора продукции использует в качестве отправной точки разрабатываемое приложение и его топологию, а не характеристики продукта. Такой практичный подход позволяет разработчику получить общее представление об устройствах, предлагаемых для разрабатываемых схемных топологий.
Поддержка онлайн-моделирования.
Помимо возможности анализа базовой пригодности SJ-PMOSFET в схеме с помощью параметров SPICE на собственном компьютере, компания Renesas также предлагает на своем веб-сайте полноценную среду моделирования под названием «Powere SIM».
Этот инструмент предоставляется пользователю бесплатно. Например, начиная с топологии и компонентов выбранной схемы, вы можете моделировать формы сигналов, частотную характеристику, тепловое поведение, КПД и многое другое. Эта среда моделирования постоянно совершенствуется и предлагает идеальную платформу для пользователей, позволяющую значительно ускорить процесс разработки с минимальными усилиями.
Краткое описание:
Компания Renesas установила новый стандарт в области высокоэффективных силовых полупроводниковых транзисторов с суперпереходом (SJ-PMOSFET), основанный на запатентованной технологии глубокого траншейного монтажа. Это позволяет значительно повысить эффективность применения. Производственный процесс полностью является запатентованным, что гарантирует неизменно высокое качество продукции.
Renesas предоставляет пользователям полный набор функциональных онлайн-инструментов для выбора продукции, централизованно доступных через веб-сайт. Новая функция, делающая процесс выбора еще более эффективным, — это выбор продукции на основе предполагаемой топологии схемы. Выбранные таким образом продукты можно напрямую моделировать на схемах с помощью бесплатного онлайн-инструмента «Powere SIM», что ускоряет процесс разработки.
Идентификация и внедрение продукции упрощены!
Автор:
Автор: Штеффен Херинг, менеджер по продукции A&P,
Renesas Electronics Europe
