산업용 및 자동차 스위칭 컨버터와 모터 드라이버에는 작고 효율적이며 전기적 잡음을 최소화하는 MOSFET(금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터)이 필요합니다. 듀얼 MOSFET 접근 방식은 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.
두 개의 MOSFET을 단일 패키지에 배치함으로써 잘 설계된 듀얼 MOSFET은 인쇄 회로 기판(PCB)에서 더 적은 공간을 소비하고 기생 인덕턴스를 줄이며 열 성능을 향상시켜 부피가 크고 값비싼 방열판이 필요하지 않습니다. 이러한 장치는 수백 kHz에서 간섭 없이 전환할 수 있고 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동하며 낮은 누설 전류를 나타낼 수 있습니다. 그러나 설계자는 이러한 부품의 장점을 완전히 실현하기 위해 작동 특성을 이해해야 합니다.
이 기사에서는 Nexperia의 듀얼 MOSFET의 예를 소개하고 설계자가 이를 사용하여 견고하고 효율성이 높으며 공간이 제한된 설계의 과제를 해결할 수 있는 방법을 보여줍니다. 회로 및 PCB 설계를 최적화하는 방법을 논의하고 전열 시뮬레이션 및 손실 분석에 대한 팁을 제공합니다.
높은 스위칭 속도로 효율성 향상
듀얼 MOSFET은 DC/DC 스위칭 컨버터, 모터 인버터, 솔레노이드 밸브 컨트롤러를 포함한 다양한 자동차(AEC-Q101) 및 산업용 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 애플리케이션은 특히 스위치 쌍 및 하프 브리지 토폴로지에서 이중 MOSFET을 사용할 수 있습니다.
Nexperia LFPAK56D 시리즈는 듀얼 MOSFET 장치의 주목할만한 예입니다. Nexperia의 구리 클립이 특징입니다. technology이는 뛰어난 전류 성능, 낮은 패키지 임피던스 및 높은 신뢰성을 가능하게 합니다(그림 1, 오른쪽). 이 견고한 구리 클립은 열 방출을 향상시킵니다. 반도체 PCB에 납땜된 조인트를 통해 기판을 통과시켜 제거된 총 열의 약 30%가 소스 핀을 통해 흐르도록 합니다. 또한 큰 구리 단면은 기생 라인 인덕턴스를 줄여 저항 전력 손실을 낮추고 링잉을 완화합니다.
고전압 스위칭 컨버터용으로 설계된 대부분의 부품과 마찬가지로 LFPAK56D는 초접합 기술을 사용합니다. 이 설계는 드레인 소스 "온" 저항(RDS (온)) 및 게이트-드레인 전하(QGD) 매개변수를 사용하여 전력 손실을 최소화합니다. 동일한 기판에서 2개의 MOSFET을 작동하면 드레인 소스 저항이 더욱 감소됩니다.
초접합 MOSFET인 LFPAK56D 시리즈는 눈사태 이벤트에 대해 견고하며 SOA(안전 작동 영역)가 넓습니다. 예를 들어 PSMN100-029HLX TrenchMOS 장치의 각 100V MOSFET에는 29mΩ R이 있습니다.DS (온), 68와트를 처리할 수 있고 최대 30암페어(A)를 전달할 수 있습니다.
LFPAK56D 계열은 또한 NXP의 SchottkyPlus 기술을 사용하여 스파이킹 동작과 누설 전류를 줄입니다. 예를 들어, 일반적인 RDS (온) PSMN014-40HLDX의 경우 일반적으로 11.4mΩ이고 드레인-소스 누설 전류는 10nA로 매우 낮습니다.
MOSFET의 고전류를 최대한 활용하려면 높은 열을 방출하고 안정적인 전기 연결을 보장하도록 PCB를 설계해야 합니다. 충분한 비아와 크고 두꺼운 구리 도체 트랙을 갖춘 다층 PCB는 높은 열 성능을 보장합니다.
열폭주 방지
완전히 켜진 전력 MOSFET은 열적으로 안정적이지만 드레인 전류(ID)이 낮습니다. 이 작동 상태에서 국부적인 가열은 임계값 게이트-소스 전압(V)을 낮추는 경향이 있습니다.GS (일)), 이는 장치가 더 쉽게 켜진다는 의미입니다. 이는 추가 전류로 인해 더 많은 발열이 발생하고 V가 더 낮아지는 포지티브 피드백 상황을 만듭니다.GS (일).
그림 2는 일정한 드레인-소스 전압(VDS). 뷔로서GS 증가하면 중요한 I가 발생합니다.D 영온도 계수(ZTC)로 알려져 있습니다. 이 전류 위에는 부정적인 피드백과 열 안정성(블루 존)이 있습니다. 그 아래에서는 임계 전압 강하가 지배적이어서 열 폭주(빨간색 영역)로 이어질 수 있는 열적으로 불안정한 작동 지점이 발생합니다.
이 효과는 낮은 전류와 높은 드레인-소스 전압에서 SOA를 감소시킵니다. 이는 dV/dt 기울기가 가파른 빠른 스위칭 작동에서는 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 전자기 간섭을 줄이기 위해 스위칭 기간이 길어지면 열적 불안정성이 발생할 가능성이 높아지고 잠재적으로 위험해집니다.
고주파수에서 스위칭 손실 감소
빠른 스위칭 애플리케이션을 위해 초접합 MOSFET을 선택할 때 낮은 QGD 이는 스위칭 손실을 크게 줄여주기 때문에 필수적입니다.
드레인, 게이트, 소스 사이에 상당한 전압과 전류 변화가 동시에 나타날 때 스위칭 중에 높은 전력 손실이 발생합니다. 낮은 QGD 짧은 Miller Plateau(그림 3, 왼쪽)가 발생하여 가파른 스위칭 기울기(dV)로 이어집니다.ds/dt) 궁극적으로 스위치를 켜는 동안 동적 에너지 손실이 낮아집니다(그림 3, 오른쪽 파란색 영역).
눈사태 에너지 제한 및 MOSFET 보호
모터 드라이브 애플리케이션에서 고정자 코일의 스위치 오프 순간에 붕괴 자기장은 전류 흐름을 유지하여 공급 전압(V)에 중첩되는 MOSFET 전체에 높은 유도 전압을 생성합니다.DD). 그러나 역항복전압(VBR) MOSFET 바디 다이오드의 이 높은 전압을 제한합니다. 애벌런치 효과라고 알려진 현상에서 MOSFET은 유출되는 자기 에너지를 애벌런치 에너지(EDS) 코일 전류가 0으로 떨어질 때까지. 이로 인해 반도체 결정이 빠르게 과열될 수 있습니다.
그림 4는 MOSFET 스위치를 사용한 간단한 코일 제어와 시간 창 t 전, 동안의 시간 신호를 보여줍니다.AL), 그리고 단일 눈사태 사건 이후. 소산된 눈사태 에너지의 양(EDS(AL)S)이 너무 높으면 결과적인 열로 인해 반도체 구조가 손상됩니다.
LFPAK56D MOSFET은 매우 견고하게 설계되었으며 Nexperia의 실험실 테스트에 따르면 손상 없이 수십억 개의 눈사태를 견딜 수 있습니다. 최대 애벌런치 에너지를 고려하면 코일 드라이버 스테이지는 추가 프리휠링 또는 클램핑 다이오드를 사용하지 않고 이러한 MOSFET의 애벌런치 작동만 사용할 수 있습니다.
전열 온라인 시뮬레이션
시스템 효율성을 향상하려면 R과 같은 간단한 성능 지수(FOM)를 사용합니다.DS xQGD 제품이 부족해요. 대신 설계자는 다음으로 인해 발생하는 MOSFET 손실을 설명하는 보다 정확한 손실 분석을 수행해야 합니다.
- 스위치 온 전도성
- 스위치 온 및 스위치 오프 손실
- 출력 커패시턴스의 충전 및 방전
- 바디 다이오드의 연속성 및 스위칭 손실
- 게이트 커패시턴스의 충전 및 방전
전체 손실을 최소화하려면 설계자는 MOSFET 매개변수와 작동 환경 간의 관계를 이해해야 합니다. 이를 위해 Nexperia는 전기 및 열 성능을 결합하고 모든 중요한 MOSFET 동작을 나타내는 MOSFET용 정밀 전열 모델을 제공합니다. 개발자는 PartQuest Explore 온라인 시뮬레이터를 사용하거나 SPICE 및 VHDL-AMS 형식의 모델을 선택한 시뮬레이션 플랫폼으로 가져올 수 있습니다.
이 글을 쓰는 시점에는 LFPAK56D MOSFET에 전기 모델만 사용할 수 있습니다. 따라서 다음 열 시뮬레이션 예에서는 다른 MOSFET 유형인 BUK7S1R0-40H를 다룹니다.
전력 MOSFET용 대화형 실험 IAN50012 전열 모델은 7A의 부하 전류가 켜진 후 BUK1S0R40-36.25H MOSFET에 대한 세 가지 가열 시나리오를 시뮬레이션합니다. 그림 5는 왼쪽의 세 가지 시뮬레이션 설정을 보여줍니다.
상단의 “tj_no_self_heating”의 경우 접합부와 장착 베이스가 주변 온도(T)에 직접 연결됩니다.amb) 열 저항 없이 0°C(Rth). 중간의 경우 “tj_self_heating,” 칩은 R을 통해 결합됩니다.th-j, Tj 약 0.4°C 정도 상승합니다. 하단 케이스에는 R을 통해 주변 온도에 연결된 장착 베이스(mb)가 표시됩니다.th_mb 방열판이 있는 4층 FRXNUMX 보드. 티mb (녹색)은 3.9°C로 상승하고 Tj (빨간색)은 4.3°C까지 상승합니다.
결론
초저손실 LFPAK56D MOSFET은 고속 스위칭 컨버터 또는 모터 드라이버에서 탁월한 효율과 전력 밀도를 제공합니다. 여기에서 논의된 회로 및 열 PCB 설계 고려 사항과 전열 시뮬레이션은 설계자가 견고하고 효율성이 높으며 공간이 제한된 설계 문제를 극복할 수 있는 방법을 보여줍니다.