Konverter switching industri dan otomotif serta driver motor memerlukan transistor efek medan silikon oksida logam (MOSFET) yang kecil, efisien, dan menghasilkan kebisingan listrik minimal. Sebuah ganda MOSFET Pendekatan ini membantu memenuhi persyaratan ini.
Dengan menempatkan dua MOSFET ke dalam satu paket, MOSFET ganda yang dirancang dengan baik akan mengonsumsi lebih sedikit ruang pada papan sirkuit cetak (PCB), mengurangi induktansi parasit, dan menghilangkan kebutuhan akan heatsink yang besar dan mahal dengan meningkatkan kinerja termal. Perangkat tersebut dapat beralih tanpa gangguan pada beberapa ratus kilohertz (kHz), beroperasi secara stabil pada rentang suhu yang luas, dan menunjukkan arus bocor yang rendah. Namun, desainer harus memahami karakteristik pengoperasiannya untuk sepenuhnya menyadari keunggulan suku cadang ini.
Artikel ini memperkenalkan contoh MOSFET ganda dari Nexperia dan menunjukkan bagaimana desainer dapat menggunakannya untuk memenuhi tantangan desain yang kokoh, berefisiensi tinggi, dan terbatas ruang. Ini membahas cara untuk mengoptimalkan desain sirkuit dan PCB dan memberikan tips tentang simulasi elektro-termal dan analisis kerugian.
Lebih efisien pada kecepatan peralihan tinggi
MOSFET ganda cocok untuk banyak aplikasi otomotif (AEC-Q101) dan industri, termasuk konverter switching DC/DC, inverter motor, dan pengontrol katup solenoid. Aplikasi ini dapat menggunakan MOSFET ganda dalam pasangan sakelar dan topologi setengah jembatan, di antara konfigurasi lainnya.
Seri Nexperia LFPAK56D adalah contoh penting dari perangkat MOSFET ganda. Mereka menampilkan klip tembaga Nexperia teknologi, yang memungkinkan kemampuan arus yang luar biasa, impedansi paket rendah, dan keandalan tinggi (Gambar 1, kanan). Klip tembaga padat ini meningkatkan pembuangan panas dari semikonduktor substrat melalui sambungan solder ke PCB, memungkinkan sekitar 30% dari total panas yang dibuang mengalir melalui pin sumber. Penampang tembaga yang besar juga menurunkan disipasi daya ohmik dan meredam dering dengan mengurangi induktansi saluran parasit.
Seperti kebanyakan suku cadang yang ditujukan untuk konverter switching tegangan tinggi, LFPAK56D menggunakan teknologi superjunction. Desain ini mengurangi resistensi “on” sumber saluran (RDS (aktif)) dan muatan gerbang-saluran (QGD) parameter, meminimalkan kehilangan daya. Mengoperasikan dua MOSFET pada substrat yang sama semakin mengurangi resistensi sumber saluran.
Sebagai MOSFET superjungsi, seri LFPAK56D tahan terhadap kejadian longsoran salju dan memiliki area pengoperasian aman (SOA) yang luas. Misalnya, masing-masing MOSFET 100 volt di perangkat PSMN029-100HLX TrenchMOS memiliki 29 miliohm (mΩ) RDS (aktif), mampu menampung daya 68 watt, dan mampu mengalirkan arus hingga 30 ampere (A).
Seri LFPAK56D juga menggunakan teknologi SchottkyPlus dari NXP untuk mengurangi perilaku spiking dan arus bocor. Misalnya saja tipikal RDS (aktif) untuk PSMN014-40HLDX biasanya 11.4 mΩ, dan arus kebocoran sumber pembuangan sangat rendah, yaitu 10 nanoampere (nA).
Untuk memanfaatkan sepenuhnya arus MOSFET yang tinggi, PCB harus dirancang untuk menghilangkan panas tinggi dan memastikan sambungan listrik yang stabil. PCB multi-lapis dengan vias yang cukup dan jalur konduktor tembaga yang besar dan tebal memastikan kinerja termal yang tinggi.
Hindari pelarian termal
Meskipun MOSFET daya yang diaktifkan sepenuhnya stabil secara termal, pelarian termal merupakan risiko ketika arus pengurasan (ID) rendah. Dalam keadaan pengoperasian ini, pemanasan lokal cenderung menurunkan ambang batas tegangan sumber gerbang (VGS (th)), artinya perangkat lebih mudah menyala. Hal ini menciptakan situasi umpan balik positif dimana arus tambahan menyebabkan pemanasan lebih banyak dan V lebih rendahGS (th).
Gambar 2 menunjukkan efek ini untuk tegangan sumber pembuangan yang konstan (VDS). Sebagai VGS meningkat, ada I kritisD dikenal dengan Koefisien Suhu Nol (ZTC). Di atas arus ini, terdapat umpan balik negatif dan stabilitas termal (zona biru); di bawahnya, penurunan tegangan ambang mendominasi, mengakibatkan titik operasi tidak stabil secara termal yang dapat menyebabkan pelarian termal (zona merah).
Efek ini mengurangi SOA pada arus rendah dan tegangan sumber pembuangan tinggi. Hal ini bukan merupakan masalah yang signifikan untuk operasi peralihan cepat dengan kemiringan dV/dt yang curam. Namun, seiring dengan bertambahnya durasi peralihan, misalnya untuk mengurangi interferensi elektromagnetik, ketidakstabilan termal menjadi lebih mungkin terjadi dan berpotensi berbahaya.
Menurunkan kerugian switching pada frekuensi tinggi
Saat memilih MOSFET superjungsi untuk aplikasi peralihan cepat, Q rendahGD sangat penting, karena hal ini secara signifikan mengurangi kerugian peralihan.
Kehilangan daya yang tinggi terjadi selama peralihan ketika perubahan tegangan dan arus yang signifikan muncul secara bersamaan antara saluran pembuangan, gerbang, dan sumber. Q yang rendahGD menghasilkan Dataran Tinggi Miller yang pendek (Gambar 3, kiri), yang mengarah ke kemiringan peralihan yang curam (dVds/dt) dan pada akhirnya menghasilkan kehilangan energi dinamis yang lebih rendah selama penyalaan (Gambar 3, area biru di sebelah kanan).
Membatasi energi longsoran dan melindungi MOSFET
Pada saat kumparan stator dimatikan dalam aplikasi penggerak motor, medan magnet yang runtuh mempertahankan aliran arus, menghasilkan tegangan induksi tinggi pada MOSFET yang membebani tegangan suplai (VDD). Namun, tegangan tembus balik (VBR) dari dioda badan MOSFET membatasi tegangan tinggi ini. Dalam apa yang dikenal sebagai efek longsoran salju, MOSFET mengubah energi magnet yang keluar menjadi energi longsoran (EDS) sampai arus kumparan turun menjadi nol. Ini dapat dengan cepat membuat kristal semikonduktor menjadi terlalu panas.
Gambar 4 menunjukkan kontrol kumparan sederhana dengan saklar MOSFET dan sinyal waktu sebelum, selama (jendela waktu tAL), dan setelah satu peristiwa longsoran salju. Jika jumlah energi longsoran yang hilang (EDS(AL)S) terlalu tinggi, panas yang dihasilkan akan merusak struktur semikonduktor.
MOSFET LFPAK56D dirancang sangat kuat dan dapat menahan beberapa miliar kejadian longsoran salju tanpa kerusakan menurut uji laboratorium Nexperia. Mengingat energi longsoran maksimum, tahapan penggerak kumparan dapat membuang dioda freewheeling atau penjepit tambahan dan hanya menggunakan operasi longsoran MOSFET ini.
Simulasi online elektro-termal
Untuk meningkatkan efisiensi sistem, mengandalkan Figure of Merit (FOM) sederhana, seperti RDS x QGD produk, tidak cukup. Sebaliknya, perancang perlu melakukan analisis kerugian yang lebih tepat dengan memperhitungkan kerugian MOSFET yang diakibatkan oleh:
- Konduktivitas aktif
- Kerugian saat menghidupkan dan mematikan
- Pengisian dan pengosongan kapasitansi keluaran
- Kontinuitas dan switching rugi-rugi pada dioda badan
- Pengisian dan pengosongan kapasitansi gerbang
Untuk meminimalkan kerugian secara keseluruhan, perancang harus memahami hubungan antara parameter MOSFET dan lingkungan operasi. Untuk tujuan ini, Nexperia menawarkan model elektrotermal presisi untuk MOSFET yang menggabungkan kinerja listrik dan termal serta mewakili semua perilaku MOSFET yang penting. Pengembang dapat menggunakan simulator online PartQuest Explore atau mengimpor model dalam format SPICE dan VHDL-AMS ke platform simulasi pilihan mereka.
Pada saat penulisan, hanya model listrik yang tersedia untuk MOSFET LFPAK56D. Oleh karena itu, contoh simulasi termal berikut berhubungan dengan tipe MOSFET yang berbeda, BUK7S1R0-40H.
Eksperimen interaktif model Elektrotermal IAN50012 untuk Power MOSFET mensimulasikan tiga skenario pemanasan untuk MOSFET BUK7S1R0-40H setelah arus beban 36.25 A dihidupkan. Gambar 5 menunjukkan tiga pengaturan simulasi di sebelah kiri.
Di bagian atas “tj_no_self_heating”, sambungan dan alas pemasangan digabungkan langsung ke suhu sekitar (Tambe) 0°C tanpa hambatan termal (Rth). Dalam kasus tengah, “tj_self_heating,” chip tersebut digabungkan melalui Rth-j, dan Tj naik sekitar 0.4°C. Huruf kecil menunjukkan alas pemasangan (mb) yang digabungkan dengan suhu sekitar melalui Rth_mb dari papan FR4 enam lapis dengan heatsink. Tmb (hijau) naik menjadi 3.9°C dan Tj (merah) naik menjadi 4.3°C.
Kesimpulan
MOSFET LFPAK56D ultra-low-loss memberikan efisiensi dan kepadatan daya yang sangat baik pada konverter peralihan cepat atau driver motor. Pertimbangan desain sirkuit dan PCB termal serta simulasi elektrotermal yang dibahas di sini menggambarkan bagaimana desainer dapat mengatasi tantangan desain yang kuat, sangat efisien, dan terbatas ruang.