Nowe tranzystory MOSFET o prawie idealnej charakterystyce przełączania

Rys. 1. Technologia produkcji a parametry

MOSFET-y, 600-woltowe, wykonane w technologii MDmesh M2 EP łączą w jedną całość paskową strukturę obszaru aktywnego rozmieszczoną w poziomie z podobną konstrukcją prowadzącą do wewnątrz struktury krzemowej. Producent ulepszył też parametry dyfuzji osiągając bardzo małą rezystancję kanału w stanie przewodzenia i ograniczył straty energii podczas przełączania, zwłaszcza w tzw. warunkach niepełnego obciążenia.

Co więcej, elementy te zoptymalizowano do pracy z częstotliwością przełączania przekraczającą 150 kHz, co otwiera im możliwości aplikacyjne w nowoczesnych aplikacjach konwersji energii elektrycznej, zarówno z tzw. twardą jak i miękką charakterystyką przełączania, w tym także w topologiach rezonansowych (napędy, zasilacze, korektory PFC itp.).

Nowe tranzystory wyróżniają się niewielkim ładunkiem bramki Q_G (tylko 16 nC), dzięki czemu energia zużywana na przełączenie stanu tranzystora jest o 20% mniejsza niż dla poprzednich modeli, co skutkuje obniżeniem strat. Obniżono też o 20% energię E_OFF zużywaną na wyłączanie tranzystora w konwerterach z twardym przełączaniem (PWM).

Mała wartość E_OFF poprawia też sprawność konwerterów przy małym obciążeniu, a więc w obszarze gdzie obecnie pojawiają się ograniczenia prawne na maksymalną moc pobieraną w trybie stand-by. Na rysunku 1 pokazano schemat jak z kolejnymi generacjami tranzystorów obniżały się ich parametry odpowiedzialne za straty mocy.

Poprawie uległ także kształt charakterystyki prądowo-napięciowej w trakcie wyłączania, co prowadzi do większej sprawności przy konwersji energii i zmniejsza oscylacje. Dopracowano też szczegóły w zakresie wartości napięcia progowego V_TH (3 V, nieco mniej niż było wcześniej) i rezystancji R_G (4,5 Ω) dla obwodu bramki tych tranzystorów, co ma znaczenie przy aplikacjach z tzw. miękkim przełączaniem.

Tranzystory dostępne są w różnych obudowach do montażu SMT i THT: PowerFLAT 5×6 HV i 8×8 HV - z okrytym kontaktem drenu do rozpraszania ciepła i wysokości tylko 1 mm, DPAK, D2PAK, TO-220, TO-220FP, I2PAKFP, a także nową 4-wyprowadzeniową obudowę TO-247-4 zawierającą dodatkowy dedykowany pin połączony ze źródłem, co rozdziela elektryczne obwód wysokoprądowy od sterującego.

Polepsza to pracę tranzystora przy dużych częstotliwościach przełączania, gdyż oscylacje pojawiające się od płynącego przez tranzystor prądu na indukcyjności wyprowadzeń i połączeń na płytce drukowanej nie przenoszą się na obwód sterujący.

Super Junction MOSFET

Rys. 2. Szczegóły technologii super junction, od lewej: tradycyjny tranzystor MOSFET, SJ MOSFET w stanie on i ten sam w stanie off

Koncepcja nazywana super junction została opracowana ponad dekadę temu i dotyczy konstrukcji wnętrza półprzewodnikowej struktury tranzystora MOSFET, która zawiera głębokie kolumny wykonane techniką wielokrotnej epitaksji lub trawienia. Te "kolumny" nie pozwalają nośnikom "uciekać na boki" i zapewniają jednolity rozkład pola elektrycznego na długości kanału, przez co kanał może być krótszy i tym samym mieć mniejszą rezystancję.

Na rysunku 2 pokazano klasyczną strukturę MOSFET-a, oraz obok typu SJ z zaznaczonym przepływem prądu w takim tranzystorze w stanie załączenia (w środku) i wyłączenia (po prawej). W pierwszym przypadku elektrony przemieszczają się przez obszar silnie domieszkowanego półprzewodnika N, co zapewnia niską rezystancję R_DS(ON). W drugim przypadku przepływ jest zablokowany przez wspomniane wgłębne "kolumny" domieszkowane typem P.

Wysoka sprawność także przy małym obciążeniu

Tabela 1. Porównanie rodzin tranzystorów MDmesh M2 i MDmesh M2-EP

Dobre parametry to nie tylko zasługa małego ładunku bramki, bo takie właściwości miały też tranzystory poprzedniej generacji, ale także obniżonych strat podczas wyłączania przy niewielkim obciążeniu.

Ma to duży wpływ na sprawność zasilaczy i napędów podczas pracy jałowej lub lekko obciążonych. Warto zauważyć, że ten zakres pracy był do niedawna pomijany w kartach katalogowych i zaniedbywany przez producentów urządzeń, którzy podawali w danych technicznych wartość sprawność dla zasilaczy i napędów wyłącznie dla maksymalnej mocy wyjściowej i to pod tym kątem optymalizowali konstrukcję układową.

Tymczasem wiele urządzeń w takim stanie znajduje się przez krótki czas, czasem tylko przez moment rozruchu, a w pozostałym czasie moc wyjściowa nie przekracza zwykle jednej trzeciej wartości nominalnej. Pobór mocy bez obciążenia i sprawność zasilaczy, napędów i przetwornic przy niewielkim obciążeniu staje się dzisiaj istotnym parametrem selekcji, co do którego przykłada się coraz więcej uwagi, na skutek wymagań certyfikacyjnych oraz coraz większej świadomości rynku.

Podsumowanie

Nowe tranzystory SJ MOSFET z rodziny MDmesh M2 EP pozwalają konstruktorom urządzeń zasilających ustanowić nowe rekordy w zakresie sprawności przetwarzania i miniaturyzacji. Postęp w dziedzinie technologii prezentuje tabela 1 zawierająca porównanie nowych MOSFET-ów z poprzednią generacją. Różnice nie są może duże, ale ilustrują postęp techniczny i osiągnięcia w skali tylko jednego roku.

Robert Magdziak