. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Rostoucí výkon přesahuje možnosti diskrétních MOSFETů

Rostoucí výkon přesahuje možnosti diskrétních MOSFETů

Snaha o stále vyšší výkon a lepší účinnost při menších rozměrech, ovlivňuje vývoj jak polovodičových čipů, tak i jejich pouzder. NexFETTM Power Block přináší zdokonalení obou těchto technologií a dosažení vyššího výkonu při polovičních rozměrech, ve srovnání s diskrétními MOSFETy. Následující článek si klade za cíl přiblížit vám nové technologie výroby polovodičových čipů a poukázat na jejich hlavní výhody.

Koncoví uživatelé zařízení, počínaje servery a konče základnovými stanicemi, jsou stále více znepokojeni nedostačující účinností a ztrátou výkonu, jakož i jejich dopadem na provozní náklady. Z toho plyne, že jejich konstruktéři jsou stále více tlačeni ke zvýšení efektivity celého procesu přeměny a správy energie. Mezi tradiční přístupy zvýšení účinnosti synchronních snižujících DC/DC konvertorů patří zejména omezení ztrát použitím MOSFETů s nižším RDS(ON) a omezení spínacích ztrát nižší pracovní frekvencí. Výraznému zlepšení hodnoty RDS(ON) však brání vyšší výrobní náklady a rostoucí parazitní kapacity, zabraňující vysokofrekvenčnímu provozu, který by jinak vedl ke zlepšení dosažitelného výkonu. Prvky NexFET Power Block jsou přímo navržené tak, aby výrazně redukovaly řídicí proudy a svým novým pouzdrem vedly k výraznému zvýšení výkonu.

Nová struktura křemíku
Nejvýraznější ztráty, které jsou známé ze spínačů MOSFET v typických synchronních převodnících, pocházejí z pravidelného spínání, způsobu vedení proudu, interní diody a samozřejmě také ztrát v obvodu řízení (elektrody GATE). Ztráty ze spínání jsou způsobeny především parazitními kapacitami, vytvořenými v rámci struktury obvodu. Ztráty vedením proudu jsou výsledkem odporu spínacího prvku (RDS(ON)), provozovaného v rozšířeném provozním režimu. Ztráty z interní diody jsou naopak závislé na napájecím napětí a zpětné (zotavovací) energii (Qrr). A konečně ztráty v obvodu řízení jsou dány hodnotou Qg ve struktuře tranzistoru MOSFET. Nejvýraznější vliv na celkovou účinnost finálního zařízení mají hodnoty parazitní kapacity a RDS(ON).

Nejběžnější technologií, používanou v dnešních tranzistorech MOSFET, určených pro nízká napětí, je Trench-FET® (viz obrázek 1). Technologie Trench-FET je známa pro svou schopnost dosažení ultra-nízkého odporu pro určitou velikost čipu, ve srovnání se základní planární technologií, kterou nahrazuje. Jedinou negativní skutečností je, že jeho složitá struktura naopak zvyšuje parazitní kapacity. Především se na tom podílejí velké plochy jednotlivých částí čipu, kde je jejich výraznější omezení nemožné. Výsledkem je nutnost volby vždy určitého kompromisu mezi nízkou frekvencí pro optimalizaci účinnosti a vysokou frekvencí pro lepší poměr plochy/výkonu.


Obr. 1: Vnitřní struktury tranzistorů MOSFET

V roce 2007 byla představena zbrusu nová struktura, označená jako NexFET MOSFET. Tranzistory NexFET jsou schopné dosáhnout podobného odporu v sepnutém stavu jako při technologii Trench-FET, ale zároveň umožňují snížit parazitní kapacity a to až o celých padesát procent. Technologie NexFET vychází z příčně-difúzních prvků MOSFET (LDMOS), přičemž pro dosažení vysokého výkonu je využito kombinace s vertikálním směrem toku proudu. Bližší pohled na strukturu z obr. 1 ukazuje, že oblast pod elektrodou Gate má jen minimální přesah přes elektrody Source a Drain, což pomáhá udržen vnitřní kapacitu na velmi nízké úrovni. Snížení těchto kapacit přitom vede k nižším nabíjecím proudům (Qg, Qgs, Qgd), potřebným pro sepnutí tranzistoru. Proto je možné konstruovat obvody s vyšší pracovní frekvencí a nižšími spínacími ztrátami ve výkonovém obvodu. Rovněž je zde vyžadováno mnohem méně energie z budicího obvodu, čímž se snižují další výkonové ztráty. Millerova kapacita (Qgd) má vliv na spínací ztráty, stejně jako strmost náběhu napětí s C dv/dt, což může nejen dále snížit provozní účinnost, ale má potenciál poškodit i samotné tranzistory. Maximálně nízká hodnota Qgd v tranzistoru NexFET minimalizuje čas a potenciál pro C dv/dt.

Nové výkonové pouzdro
NexFET Power MOSFET je ideální především v tom, že snižuje parazitní kapacity. Za účelem dosažení maximálního výkonu v typickém synchronním snižujícím převodníku, je však třeba zároveň minimalizovat i parazitní indukčnosti a odpory. Především tedy v hlavním, spínacím obvodu, který je obvykle tvořen dvěma tranzistory MOSFET, spínající proud do indukční zátěže. Toho je možné dosáhnout díky novému mechanickému provedení pouzdra výkonových prvků NexFET. Na obr. 2 je vidět, že dva tranzistory v jediném pouzdře jsou nyní postaveny přímo na zemní ploše a vyvedeny do dvou stran pomocí měděnými „klipů“ (viz obr. 2). Výsledkem takového uspořádání jsou vlastnosti, které obvod dělají jedinečným. Mezi jeho hlavní předosti patří: malé rozměry, velmi nízké parazitní produkty, výborný tepelný výkon a vysoká spolehlivost.


Obr. 2: Umístění elektrody Source na spodní stranu pouzdra umožňuje dosažení lepších výsledků

Pro získání malých rozměrů a nejnižších parazitních prvků, je vhodné použít právě technologii NexFET Power Block. Jeho umístění elektrody Source na spodní straně pouzdra umožňuje právě využití efektivnějšího vertikálního vedení proudu. Navíc je díky optimálnímu rozmístění vývodů možné velmi snadné a cenově výhodné, praktické použití v synchronních snižujících konvertorech. Na obr. 3 je velmi dobře vidět, jak je spodní strana prvního čipu přímo spojena s hlavním měděným blokem konstrukce. Podobně šikovně je konstruována rovněž i elektroda Drain, vedená z prvního čipu, která je přímo spojena se středním měděným blokem (VSW). Přímo na jeho protilehlé ploše je hned umístěn druhý čip (tranzistor MOSFET), který rovněž využívá uvedené uspořádání. Tedy že zdroj proudu je na jeho spodní straně. Poslední, horní měděný blok je spojen s elektrodou Drain druhého čipu. V případě klasické konstrukce snižujícího konvertoru je zde připojen pin VIN. Řídicí elektrody Gate jsou propojeny pomocí krátkých zlatých můstků (TG a BG), stejně jako TGR, vedoucí proud z horní elektrody Gate zpět do řídicího obvodu. Signál TGR slouží k podpoře správné funkce řízení výkonových tranzistorů MOSFET.


Obr. 3: Průřez tranzistorovým blokem NexFET ukazuje unikátní způsob uspořádání

Takové uspořádání přináší vynikající elektrický výkon, který je rozhodující pro dosažení vysoké účinnosti elektronických zařízení, především samozřejmě napájecích konvertorů. Hlavní zdroje vysoké účinnosti jsou tyto:

  1. Použití silných měděných bloků (spon) pro vysoké proudy (VIN and VSW) podstatnou měrou snižuje celkové RDS(ON), především ve srovnání s konvenčním, drátovým propojením čipu. Zároveň se tímto omezují i ztráty ve vedení.
  2. Tenké křemíkové substráty omezují ztráty ve vedení tím, že snižují velikost RDS(ON).
  3. Sendvičová konfigurace prakticky zcela eliminuje parazitní indukčnosti a odpory, uplatňované mezi oběma tranzistory MOSFET a pomocí silných měděných klipů podstatně snižuje nežádoucí vlivy na piny VIN a VSW, ve srovnání s klasickým drátovým řešením. Detailnější pohled na parazitní prvky obvodu je uveden na obr. 4.
    V těchto obvodech obecně platí, že omezení, nebo účinné potlačení vnitřních parazitních prvků výkonového obvodu, umožňuje rychlejší spínání a tedy i použití vyšších pracovních frekvencí, neboť jsou v obvodu sníženy obvyklé spínací ztráty.


Obr. 4: Model parazitních prvků obvodu NexFET Power Block

Z pohledu tepelného výkonu, nebo také odvodu tepla, má pouzdro NexFET Power Block rovněž naprosto excelentní vlastnosti. Především díky tepelnému odporu mezi středem čipu a pouzdrem, který je roven pouze R?JC = 2°C/W, nebo také středem čipu a vnějším prostředím, kdy R?JA = 50°C/W. Hlavním zdrojem takto nízkých hodnot tepelného odporu je snížená tloušťka křemíku a silné měděné klipy, které rovněž pomáhají odvodu tepla, generovaného čipy. Možná si nyní myslíte, že sendvičové uspořádání musí notně vést k vyšší teplotě ve střední části obvodu a na horním čipu tranzistoru. Nicméně, teplotní měření a simulace ukazují, že za běžného provozu je na horním čipu a přechodu teplota jen o zlomek stupně vyšší, než je teplota na spodním čipu. Například byl proveden experiment, při kterém byl NexFET Power Blok osazen na typickou aplikační desku standardního napájecího zdroje. Poté jím byl spínán proud tak, aby se na spodním čipu ztrácely dva watty a na horním jeden watt, přičemž bylo zjištěno, že rozdíl teplot obou čipů je pouhých 0,4 °C. Z takových výsledků je možné odvodit, že tepelný odpor mezi jednotlivými čipy je v pouzdru extrémně nízký a měděné klipy odvádějí podstatnou část tepla pryč.

Tepelný výkon v kombinaci s nižší výkonovou ztrátou, dovolují pouzdru NexFET Power Block provoz při obdobných teplotách, jako v případě konkurenčních řešení pomocí dvou diskrétních MOSFETů. Obrázek 5 porovnává naměřené teploty na desce s NexFET Power Block a dvojici klasických tranzistorů MOSFET. Přesto, že oba příklady byly provozovány za obdobných podmínek, je teplota na desce s řešením Power Block nižší, než v případě dvou „nízkoprofilových“ MOSFETů, a mírně vyšší, než horní strana obvodu.


Obr. 5: Srovnání vyzářeného tepla v případě dvou diskrétních MOSFETů a řešení CSD86350Q5D NexFET Power Block

Jak všichni dobře víme, kromě špičkových hodnot je dalším důležitým rysem také dlouhodobá spolehlivost. Z provedených testů byly zjištěny následující hodnoty:

  • 1 000 teplotních cyklů -40 až 125 °C (tři ze 77 jednotek)
  • 10 000 cyklů výkonového zatížení při rozdílu teplot = 100 °C (tři ze 77 jednotek)
  • 96 hodin v Autoklávu, při 121 °C/100 % RH (tři ze 77 jednotek)
  • 1 000 hodin v THB, 85 °C/85 % RH (tři ze 77 jednotek)
  • 1 000 hodin v HTRB, 150 °C/80 % jmenovitého VDS (tři ze 77 jednotek)
  • 1 000 hodin v HTGB, 150 °C/80 % jmenovitého VGS (tři ze 77 jednotek)

Kombinace těchto výsledků, tloušťky křemíkových čipů, ceny matriálu a detailního návrhu z nich činí velmi spolehlivé součástky, které mohou pracovat i při extrémních výkyvech teploty a vlhkosti, aniž by to mělo výraznější dopad na výkon systému.

Nové řešení napájení
Kombinace vertikálního vedení proudu a sendvičového uspořádání technologie NexFET, výrazně snižuje související parazitní prvky. Navíc přímo vytváří koncepci synchronního snižujícího měniče, schopného v celé řadě vlastností překonat diskrétní řešení s tranzistory MOSFET. Při uspořádání v energetickém bloku je dosahováno o více než dvě procenta vyšší účinnosti při 25 A, než při použití dvojice samostatných NexFETů s podobnými vlastnostmi a spínací charakteristikou (viz obr. 6). Maximální dosažitelná účinnost je v tomto případě více než 93 procent a při proudu 25 A neklesá pod 90,7 procent. Vyšší účinnost je navíc překládána do více než 20-ti procentního snížení energetických ztrát. Snížená výkonová ztráta vede ke snížení tepelného výkonu a následně i samotných nákladů na provoz aplikace. Případně je možné použít vyšší spínací frekvenci, vedoucí naopak ke zvýšení poměru výkonu na plochu zdroje.


Obr. 6: NexFET Power Block výrazně zlepšuje účinnost, oproti podobným diskrétním MOSFETům

Kromě vyššího výkonu a až o 50 procent menšího prostoru na desce, oproti diskrétnímu řešení s tranzistory MOSFET, zjednodušují NexFET Power Block i vlastní návrh zařízení. V obvyklých aplikacích je třeba dbát na vhodné rozložení při připojení dvou spínačů k indukčnosti - nyní je však i tato starost vyloučena. Vhodným rozmístěním pinů bylo dosaženo snadného osazení okolních diskrétních součástek. Tedy například vstupního kondenzátoru co nejblíže k pouzdru, na stranu řídicího obvodu, stejně jako výstupní indukčnosti s filtrem, nacházejících se obvykle na opačné straně pouzdra. NexFET Power Block rovněž těží z „uzemněného“ provedení, které umožňuje zlepšit tepelné vlastnosti obvodu a snížit elektromagnetické rušení (EMI). Tyto skutečnosti mohou návrhářům pomoci dosáhnout žádaných úspěchů i v první aplikaci s NexFET Power Block.

Reference:
1. “Next Generation of Power MOSFETs,” Jacek Korec and Shuming Xu, Power Electronics Europe, May 2009: http://www.power-mag.com/pdf/issuearchive/29.pdf.
2. “NexFET: A New Power Device,” S. Xu, J. Korec, C. Kocon, D. Jauregui, Texas Instruments, International Electron Devices meeting, December 2009.
3. “History of FET Technology and the move to NexFET,” Jacek Korec and Chris Bull, Bodo’s Power Systems, May 2009: http://www.bodospower.com/pe/restricted/downloads/bp_2009_05.pdf.
4. “Novel thermally enhanced power package,” Juan Herbsommer, Texas Instruments, APEC 2010: http://focus.ti.com/lit/wp/slva420/slva420.pdf.

Více informací o technologii NexFET získáte na adrese: www.ti.com/nexfet-ca.

O autorech:
Jeffrey Duane Sherman je vedoucí produktového marketingu pro Power Stage Business Unit - Texas Instrument, kde je zodpovědný za propagaci a marketing všech produktů pro napájecí zdroje, včetně NexFET Power MOSFETů. Za tím stojí více než 20 let praxe v oblasti návrhu obvodů správy napájení. Dále je autorem mnoha článků na téma napájecích zdrojů a držitelem dvou patentů. Titul BSEE a studium MBA získal na Michiganské univerzitě ve městě Ann Arbor, stát Michigan a MSEE získal na Northeastern University v Bostonu, Massachusetts. Na případné dotazy je Jeff dostupný na mailu ti_jeffsherman@list.ti.com.

Dr. Juan A. Herbsommer je vedoucí člen technického personálu skupiny Power Stage ve společnosti Texas Instruments. Před příchodem do TI, pracoval jako technický ředitel v Ciclon Semiconductors, kde se podílel na vývoji a zdokonalení techniky pouzdření širokého portfolia nových výkonných tranzistorů MOSFET s vysokou účinností. V TI dále pokračuje na vývoji nových technologií pro velmi-výkonnou mikroelektroniku. Juan je držitelem pozice hostujícího vědce v Centru pro optické technologie na Lehigh University, kde získal titul Ph.D. v oboru Fyzika s nejvyšším vyznamenáním a hodnocením Master in Business Administration. Na případné dotazy je Juan dostupný na mailu ti_herbsommer@list.ti.com.

NexFET a Texas Instruments jsou ochranné známky společnosti Texas Instruments Incorporated. Všechny ostatní ochranné známky jsou majetkem příslušných vlastníků.







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (3):

Zobrazit starší 30 dnů (3)...



Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Vývojový kit MEGA48X
Levnější varianta univerzálního vývojového kitu s obvodem ATmega48 společnosti ATMEL je vhodná jak pro začátečníky, tak i profesionály.
Skladem od 545 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007