産業用および車載用のスイッチング コンバータおよびモータ ドライバには、小型で効率が高く、電気ノイズの発生が最小限に抑えられた金属酸化シリコン電界効果トランジスタ (MOSFET) が必要です。デュアル MOSFET アプローチは、これらの要件を満たすのに役立ちます。
2 つの MOSFET を 1 つのパッケージに配置することで、適切に設計されたデュアル MOSFET は、プリント基板 (PCB) 上のスペースを削減し、寄生インダクタンスを低減し、熱性能を向上させることで大型で高価なヒートシンクの必要性を排除します。このようなデバイスは、数百キロヘルツ (kHz) で干渉なくスイッチングでき、広い温度範囲にわたって安定して動作し、低い漏れ電流を示します。ただし、設計者はこれらの部品の利点を十分に理解するために、その動作特性を理解する必要があります。
この記事では、Nexperia のデュアル MOSFET の例を紹介し、設計者がそれらを使用して堅牢、高効率、スペースに制約のある設計の課題に対処する方法を示します。回路と PCB 設計を最適化する方法について説明し、電熱シミュレーションと損失解析に関するヒントを提供します。
高いスイッチング速度での効率の向上
デュアル MOSFET は、DC/DC スイッチング コンバータ、モータ インバータ、ソレノイド バルブ コントローラなど、多くの車載 (AEC-Q101) および産業用アプリケーションに適しています。これらのアプリケーションでは、スイッチ ペアやハーフブリッジ トポロジなどの構成でデュアル MOSFET を使用できます。
Nexperia LFPAK56D シリーズは、デュアル MOSFET デバイスの注目すべき例です。 Nexperia の銅製クリップが特徴です テクノロジーこれにより、優れた電流能力、低いパッケージ インピーダンス、および高い信頼性が可能になります (図 1、右)。これらの純銅製クリップにより、熱放散が向上します。 半導体 はんだ付け接合部を介して基板に接続され、除去された総熱の約 30% がソース ピンを通って流れるようになります。また、銅の断面積が大きいため、ラインの寄生インダクタンスが低減されるため、オーミック電力損失が低減され、リンギングが抑制されます。
高電圧スイッチングコンバータ向けのほとんどの部品と同様に、LFPAK56D は超接合技術を使用しています。この設計により、ドレイン-ソース間の「オン」抵抗 (RDS（オン）) とゲートドレイン間の電荷 (QGD) パラメータを調整し、電力損失を最小限に抑えます。同じ基板上で 2 つの MOSFET を動作させると、ドレイン-ソース抵抗がさらに低減されます。
スーパージャンクション MOSFET として、LFPAK56D シリーズは雪崩現象に対して堅牢であり、広い安全動作領域 (SOA) を備えています。たとえば、PSMN100-029HLX TrenchMOS デバイスの 100 ボルト MOSFET のそれぞれの R は 29 ミリオーム (mΩ) です。DS（オン）、68 ワットを処理でき、最大 30 アンペア (A) を流すことができます。
LFPAK56D シリーズは、NXP の SchottkyPlus テクノロジーも使用して、スパイク動作と漏れ電流を低減します。たとえば、典型的な RDS（オン） PSMN014-40HLDX の場合、標準値は 11.4 mΩ、ドレイン-ソース間リーク電流は 10 ナノアンペア (nA) と非常に低くなります。
MOSFET の大電流を最大限に活用するには、高熱を放散し、安定した電気接続を確保するように PCB を設計する必要があります。十分なビアと大きく厚い銅導体トラックを備えた多層 PCB により、高い熱性能が保証されます。
熱暴走を避ける
完全にスイッチオンされたパワー MOSFET は熱的に安定していますが、ドレイン電流 (ID） 低い。この動作状態では、局所的な加熱により、しきい値のゲート・ソース間電圧 (V) が低下する傾向があります。GS（TH）)、デバイスがより簡単にオンになることを意味します。これにより、追加の電流によってさらに加熱され、V がさらに低下する正のフィードバック状況が作成されます。GS（TH）.
図 2 は、ドレイン-ソース間電圧 (V) が一定の場合のこの効果を示しています。DS）。 VとしてGS 増加すると、クリティカル I が発生しますD ゼロ温度係数 (ZTC) として知られています。この電流を超えると、負のフィードバックと熱安定性が生じます (青色のゾーン)。それを下回ると、しきい値電圧降下の影響が大きくなり、動作点が熱的に不安定になり、熱暴走（レッド ゾーン）が発生する可能性があります。
この効果により、低電流および高ドレイン-ソース電圧における SOA が減少します。これは、dV/dt 勾配が急峻な高速スイッチング動作では大きな問題ではありません。しかし、電磁干渉を減らすためにスイッチング時間が長くなると、熱的に不安定になる可能性が高まり、潜在的に危険になります。
高周波でのスイッチング損失の低減
高速スイッチング用途にスーパージャンクション MOSFET を選択する場合、低い QGD これによりスイッチング損失が大幅に低減されるため、これは不可欠です。
スイッチング中に、ドレイン、ゲート、ソース間に大きな電圧と電流の変化が同時に現れると、大きな電力損失が発生します。 Qが低いGD その結果、ミラープラトーが短くなり (図 3、左)、急峻なスイッチングスロープ (dVds/dt)、最終的にはスイッチオン時の動的エネルギー損失が低くなります (図 3、右側の青色の領域)。
アバランシェエネルギーを制限しMOSFETを保護
モーター駆動アプリケーションにおけるステーター コイルのスイッチオフの瞬間に、崩壊する磁場によって電流の流れが維持され、MOSFET の両端に電源電圧 (V) に重畳される高い誘導電圧が生成されます。DD）。ただし、逆方向降伏電圧 (VBRMOSFET ボディ ダイオードの ) がこの高電圧を制限します。アバランシェ効果として知られる現象では、MOSFET が流出する磁気エネルギーをアバランシェ エネルギー (E) に変換します。DS) コイル電流がゼロに低下するまで。これにより、半導体結晶が急速に過熱する可能性があります。
図 4 は、MOSFET スイッチを使用した単純なコイル制御と、(時間ウィンドウ t の前後) の時間信号を示しています。AL）、単一の雪崩イベントの後。雪崩エネルギーが消散した場合 (EDS(AL)S) が高すぎると、発生する熱により半導体構造が損傷します。
LFPAK56D MOSFET は非常に堅牢になるように設計されており、Nexperia の実験室テストによれば、数十億回の雪崩現象にも損傷なく耐えることができます。最大のアバランシェ エネルギーを考慮すると、コイル ドライバ段ではフリーホイーリング ダイオードやクランプ ダイオードを追加する必要がなく、これらの MOSFET のアバランシェ動作のみを使用できます。
電熱オンラインシミュレーション
システム効率を改善するには、R などの単純な性能指数 (FOM) に依存します。DS ×QGD 商品が不足しています。代わりに、設計者は、以下に起因する MOSFET 損失を考慮した、より正確な損失解析を実行する必要があります。
- スイッチオン時の導電率
- スイッチオンおよびスイッチオフ損失
- 出力容量の充放電
- ボディダイオードの導通性とスイッチング損失
- ゲート容量の充放電
全体的な損失を最小限に抑えるには、設計者は MOSFET パラメータと動作環境の関係を理解する必要があります。この目的を達成するために、Nexperia は、電気的性能と熱的性能を組み合わせ、すべての重要な MOSFET の動作を表す MOSFET 用の高精度の電熱モデルを提供します。開発者は、PartQuest Explore オンライン シミュレーターを使用することも、SPICE および VHDL-AMS 形式でモデルを選択したシミュレーション プラットフォームにインポートすることもできます。
この記事の執筆時点では、LFPAK56D MOSFET では電気モデルのみが利用可能です。したがって、次の熱シミュレーション例では、別の MOSFET タイプである BUK7S1R0-40H を扱います。
パワー MOSFET の対話型実験 IAN50012 電熱モデルは、7 A の負荷電流がオンになった後の BUK1S0R40-36.25H MOSFET の 5 つの加熱シナリオをシミュレートします。図 XNUMX は、左側に XNUMX つのシミュレーション設定を示しています。
上部の「t」j「_no_self_heating」の場合、ジャンクションと取り付けベースは周囲温度 (Tamb) 0℃、熱抵抗 (R) なしth）。真ん中のケースでは、「tj_self_heating」、チップは R を介して接続されていますth-j、そしてTj 約0.4℃上昇します。下のケースは、R を介して周囲温度に結合される取り付けベース (mb) を示しています。th_mb ヒートシンク付きの 4 層 FRXNUMX ボード。 Tmb (緑) 3.9°C まで上昇し、Tj （赤）4.3℃まで上昇します。
まとめ
超低損失 LFPAK56D MOSFET は、高速スイッチング コンバータまたはモータ ドライバにおいて優れた効率と電力密度を提供します。ここで説明する回路および熱 PCB 設計の考慮事項と電熱シミュレーションは、設計者が堅牢で高効率、スペースに制約のある設計の課題をどのように克服できるかを示しています。