Zyskaj większą wydajność swojego projektu dzięki 100-woltowym MOSFET-om OptiMOS 6

Niedawno Infineon wprowadził na rynek najnowszą technologię 100-woltowych MOSFET-ów mocy w ramach rodziny OptiMOS 6, która wraz z poprzednikami OptiMOS 3 i 5 oraz ze StrongIRFET tworzy kompletne portfolio komponentów przeznaczonych do aplikacji przemysłowych, której największym atutem poza parametrami jest szeroka dostępność produktów (rys. 1).

 

Rys. 1. Kluczowe cechy technologii StrongIRFET i OptiMOS power MOSFET 20-300 V Infineona

100-woltowe OptiMOS 6 charakteryzują się nowatorską konstrukcją komórki tranzystora MOSFET, wykorzystującą trójwymiarową kompensację ładunku, umożliwiającą dużą redukcję rezystancji tranzystora w stanie włączenia. Nowa struktura obejmuje również przeprojektowany rowek kanału bramki, który zapewnia małą wartość ładunku bramka- dren Q_gd i bramki Q_g, a także nowe rozwiązanie metalowej struktury bramki, dając doskonałą odporność na indukowane przebicie zwrotne.

 

Rys. 2. Właściwości tranzystorów 100-woltowych MOSFET OptiMOS 6

W porównaniu z Opti-MOS 5 nowa rodzina umożliwia znaczną poprawę wydajności urządzeń, tj. mniejsze straty w stanie przewodzenia i podczas przełączania (komutacyjne) (rys. 2):

• R_DS(on) jest mniejszy o 18%,
• parametr Figure of Merit (FOM) Q^g×RDS(on) jest o około 30% lepszy, a FOM Q_gd×R_DS(on) o 42%,
• obszar bezpieczniej pracy SOA jest szerszy.

Te ulepszenia zapewniają wiele korzyści w zasilaczach impulsowych i falownikach PV, gdzie straty mocy są związane zarówno z przewodzeniem prądu przez tranzystory w stanie włączenia, jak i podczas zmiany stanu, tj w czasie komutacji.

 

Rys. 3. Potencjalne aplikacje dla elementów OptiMOS 6 100 V

Najlepszy parametr R_DS(on) w swojej kategorii (tzw. best-in-class, BiC) umożliwia również użycie tych MOSFET-ów w niskonapięciowych napędach silników, tj. współpracujących z akumulatorowym zasilaniem, takich jak drony, rowery elektryczne i elektronarzędzia oraz w roli rozłącznika w systemach zarządzania pracą akumulatorów (BMS) (rys. 3).

OptiMOS 6 kontra OptiMOS 5 – porównanie

Rezystancja kanału tranzystora w stanie włączenia RDS(on) to jeden z kluczowych parametrów tranzystora MOSFET, która jest mierzona pomiędzy drenem i źródłem. Im mniejsza wartość R_DS(on), tym mniejsze straty przewodzenia i potrzeba łączenia równoległego tranzystorów. Są to niższe koszty i mniejsza zajętość powierzchni PCB oraz większa gęstość mocy.

OptiMOS 6 przy 100 woltach napięcia znamionowego zapewnia RDS(on) o około 20% niższy w porównaniu z najlepszym tranzystorem BSC027N10NS5 z rodziny OptiMOS 5 w obudowie Super SO8. Pozwala to w równoważnych warunkach obciążenia przejść na mniejszą PQFN 3,3×3,3 mm, co prowadzi do większej gęstości mocy w urządzeniu.

 

Rys. 4. Porównanie własności obwodu bramki dla OptiMOS vs. OptiMOS 5

Ładunek bramki to wielkość ładunku elektrycznego, który musi zostać wprowadzony do wejścia, aby włączyć MOSFET-a. Jest on związany z niezerową pojemnością obwodu bramka-źródło. Im jest mniejszy, tym niższe są straty komutacyjne i większa prędkość działania konwertera. Nowa konstrukcja rowka bramkowego (trench) zapewnia mniejszą jej wartość, mniejsza jest też pojemność bramka-dren, co daje o 35% niższy Q_g i 45% mniejszy Q_gd. Widoczne jest to w parametrach powiązanych z dobrocią tranzystorów FOMg i FOMgd. Wielkości te są wyrażane w mΩ×nC, co łączy w jednej wartości przewodzenie i przełączanie. W tym kontekście OptiMOS 6 jest lepsza o odpowiednio 30% i 43% w porównaniu z poprzednią generacją (patrz rys. 4).

Obszar pracy bezpiecznej (SOA)

Obszar SOA jest tworzony na wykresie definiującym maksymalne wartości napięcia i prądu, jakie MOSFET jest w stanie wytrzymać, gdy temperatura jego obudowy utrzymuje się na stałym poziomie Tc = 25°C. Z reguły w nowych technologiach pole obszaru SOA jest mniejsze (wykres jest węższy), gdyż wydajność prądowa zależy od impedancji cieplnej, która zwykle rośnie z kolejnymi generacjami. Mimo tej reguły 100-woltowe elementy z rodziny OptiMOS 6 100 V, cały czas mają szeroki obszar SOA, co jest zasługą mniejszej wartości RthJC (patrz rys. 5). Dzięki lepszym parametrom tranzystory MOSFET z rodziny OptiMOS 6 są w stanie zapewnić lepsze parametry aplikacyjne w zastosowaniach telekomunikacyjnych, fotowoltaicznych i elektronarzędziach.

 

Rys. 5. Obszar SOA w starszej i nowej wersji

Potencjalnie istotnym zastosowaniem jest konwerter DC-DC napięcia szyny zasilającej IBC, będący elementem zgodnego z DOSA rozproszonego systemu zasilania w telekomunikacji. Pracuje on w topologii pełnego mostka z prostownikiem synchronicznym i wykorzystuje sterowanie typu hard-switching przy mocy wyjściowej rzędu 600 W. Do tego produktu potrzebne są tranzystory o możliwie najniższym R_DS(on), rzędu 6 mΩ, takie jak ISC060N10NM6 w obudowie SuperSO8. Zgodnie z rysunkiem 6 element ten zapewnia 0,4% lepszą sprawność i ma niższą temperaturę obudowy w porównaniu do BSC050N10NS5 (poprzedniej generacji) o R_DS(on), max = 5 mΩ.

 

Rys. 6. Sprawność i parametry cieplne tranzystorów ISC060N10NM6 i BSC050N10NS5 w 600-watowym konwerterze telekomunikacyjnym 48-12 V FB/FB quarter brick

W elementach instalacji PV, takich jak optymalizatory, sprawność konwersji energii determinują straty przełączania. Z tego powodu wymagane są elementy zapewniające dobrą równowagę pomiędzy wartością R_DS(on) a ładunkiem bramki. Produkty pasujące do pracy w optymalizatorze mocy bazującym na synchroniczny stopniu obniżającym napięcie to tranzystory MOSFET o napięciu znamionowym 100 V w obudowie SuperSO8, z R_DS(on) około 5–6 mΩ. Z porównania równoważnych elementów z nowej i poprzedniej generacji, pokazanym na rysunku 7, wynika, że mimo 20% większej wartości tego parametru, tranzystor OptiMOS 6 (ISC060N10NM6) zapewnia lepszą sprawność dzięki mniejszym stratom komutacyjnym. Co więcej, nowy element ma o około 6°C niższą temperaturę przy pełnym obciążeniu.

 

Rys. 7. Optymalizator solarny na starych i nowych tranzystorach

W elektronarzędziach kluczowymi czynnikami są wydajność cieplna i duża gęstość mocy, którą zapewniają produkty o małej wartości R_DS(on). W porównaniu tranzystorów z serii OptiMOS 5 (BSC027-N10NS5) i OptiMOS 6 (ISC0-22N10NM6) w warunkach silnego obciążenia powstającego przy dużym momencie obrotowym nowe elementy dają o około 0,5% lepszą sprawność i mają o około 12% niższe straty (rys. 8).

 

Rys. 8. Użycie nowej technologii w elektronarzędziach zapewnia lepszą wydajność (kolor pomarańczowy)

Energooszczędne rozwiązanie przyczyniające się do ochrony środowiska

Niższe koszty nie są jedynym czynnikiem odpowiedzialnym za zmiany w technologii. Branża telekomunikacyjna jest jednym z wiodących sektorów inwestujących w neutralność emisji dwutlenku węgla, po to aby ograniczyć skutki globalnego ocieplenia. Nowe tranzystory Infineona pomagają zredukować emisję, czyniąc życie bardziej ekologicznym. Dzięki nim możliwe jest zmniejszenie zużycia energii równoważne kosztom 1 mln euro w ciągu 10 lat dla kraju europejskiego liczącego około 80 mln mieszkańców i aplikacji telekomunikacyjnych.

Infineon
www.infineon.com