Superiori livelli di densità di potenza con i MOSFET PowerTrench

Realizzare un moderno sistema di alimentazione caratterizzato da alti livelli di efficienza e densità di potenza è un obiettivo di fondamentale importanza per i progettisti

Realizzare un moderno sistema di alimentazione caratterizzato da alti livelli di efficienza e densità di potenza è un obiettivo di fondamentale importanza per i progettisti poiché un sistema di alimentazione compatto ed altamente efficiente si traduce in minori ingombri e superiori risparmi energetici.

Dal punto di vista della topologia, un retificatore sincrono è un componente essenziale per la progettazione di alimentatori di corrente switch-mode. Dal punto di vista del dispositivo, i MOSFET trench gate sono i dispositivi di alimentazione preferiti per applicazioni caratterizzate da tensioni di alimentazione medio-basse. Grazie a questa nuova tecnologia, il valore on-resistance specifico migliora di quasi il 30%.

Le perdite di commutazione all’interno del retificatore sincrono possono essere ridotte considerevolmente se il valoreon-resistance del MOSFET e la corrente assorbita sono inferiori rispetto alla caduta di tensione nel diodo. Un valore on-resistance contenuto, tuttavia, non è l’unico requisito richiesto al retificatore sincrono dagli switch di alimentazione. Altri parametri di importanza critica dei MOSFET, quali RDS(ON), QG, QOSS, Qrr e caratteristiche di reverse recovery, influenzano direttamente l’efficienza complessiva dei retificatori sincroni.

Fairchild ha progettato i nuovi MOSFET PowerTrench® al termine di un approfondito processo di analisi delle perdite di commutazione all’interno dei retificatori sincroni, risultante nell’unione di una bassa carica del gate e un diodo integrato con soft reverse recovery con un’alta velocità di commutazione, con l’obiettivo dichiarato di accrescere l’efficienza dei retificatori sincroni.

Tecnologie per MOSFET di alimentazione trench gate

Mentre le tecnologie dei MOSFET e le strutture a cella si evolvevano drasticamente nel corso degli anni, i MOSFET trench gate diventavano un punto di riferimento per applicazioni a media tensione (BVDSS < 200V). Grazie all’esclusivo vantaggio offerto dalla struttura trench consistente nella capacità di ridurre il valore RDS(ON), diventa possibile accrescere la densità di cella senza alcun effetto “pinch-off” nel JFET.

La struttura trench gate convenzionale illustrata in Figura 1(a)permette di ottenere bassi valori on-resistance accrescendo il rapporto ampiezza/lunghezza del canale. Allo scopo di migliorare le performance di commutazione e il rapporto CGS/CGD, viene posto uno spesso strato di ossido nella parte inferiore del gate, come illustrato in Figura 1(b).

Un altro concetto prevede l’utilizzo di tecniche per il bilanciamento della carica. I MOSFET a media tensione più recenti utilizzano una struttura gate schermata del tipo illustrato in Figura 1(c). L’elettrodo schermato, unitamente allo spesso strato di ossido interposto tra l’elettrodo stesso e la regione di deriva, assicura il bilanciamento della carica nella regione di deriva stessa. Ciò permette di utilizzare un drogaggio più elevato nella regione di deriva, con conseguente riduzione di resistenza di deriva. La resistenza specifica del nuovo MOSFET è notevolmente superiore rispetto alla generazione precedente, così come sono ulteriormente accresciute le già ottime caratteristiche di commutazione.

(a) MOSFET trench gate convenzionale	(b) MOSFET trench con spesso strato di ossido posto inferiormente	(c) Nuovo MOSFET trench con elettrodo schermato aggiunto

Figura 1. Struttura verticale della famiglia di MOSFET PowerTrench®

Perdite di commutazione nei retificatori sincroni

Tra le principali perdite di potenza negli switch di alimentazione spiccano le perdite di conduzione e commutazione. Tuttavia, in condizioni di carico leggero le perdite di conduzione sono minime e le perdite nel driver del gate sono ancor meno importanti ai fini dell’efficienza del sistema. Con l’introduzione di nuove norme e linee guida in materia di efficienza energetica, quali la Climate Savers Computing Initiative, le perdite nel driver del gate diventano però un fattore critico in termini di efficienza con carico leggero. È noto infatti che le perdite nel driver del gate vengono calcolate attraverso l’equazione:

Pdrive = Qg·Vgs·fs Equazione 1

Una delle principali differenze che contraddistingue i retificatori sincroni rispetto ai retificatori basati su diodo risiede nel fatto che il MOSFET opera in modo bidirezionale. In linea generale la corrente scorre nel canale del MOSFET dal source al drain in fase di conduzione e attraverso il diodo integrato nel tempo di intersezione (dead time) come illustrato in Figura 2. Poiché nel funzionamento soft switching in fase di transiente di accensione e spegnimento il rapporto dVds/dtè uguale a zero, anche la corrente capacitiva da CGD è pari a zero.

Figura 2. Forme d’onda del MOSFET nei retificatori sincroni

In considerazione della sequenza, il valore della carica del gate nell’Equazione 1 deve essere selezionato con particolare attenzione. Non essendoci tensione attraverso lo switch durante il transiente di commutazione, l'”effetto Miller” non ha luogo. Ne consegue che, ai fini pratici, negli switch sincroni il valore QSYNCè prossimo a QG-QGD. Il valore esatto di QSYNCdifferisce leggermente dalla pura stima a causa della presenza di un bias negativo tra drain e source nel retificatore sincrono, mentre nelle condizioni di riferimento per misurare QG e QGD viene utilizzato un bias positivo. È importante anche notare che, come illustrato in Figura 3, lacurva relativa a QSYNC al di sotto di Vth è simile alla pendenza superiormente a Vth poiché la tensione drain-source è pari a zero in entrambe le regioni.

Figura 3. Definizione di QSYNC

Tabella 1. Raffronto tra le caratteristiche principali dei dispositivi in esame

Figura 4. Raffronto del rapporto di perdita (perdita nel driver/perdita di conduzione) in base al carico in uscita

Come illustrato in Tabella 1, il valore QSYNC del MOSFET PowerTrench® da 3,6mohm è ridotto rispettivamente del 22% e del 59% rispetto ai concorrenti da 4,5mhom e 3,0mohm. La Figura 4 mostra il rapporto di perdita calcolato (perdita nel driver/perdita di conduzione) in uno stadio di raddrizzamento sincrono da 27V, con una tensione del gate driver pari a 10V e una frequenza di commutazione di 100kHz. La perdita nel driver del concorrente da 3,0mohm è più che doppia rispetto alla perdita di conduzione con carico del 10%.

La carica di uscita Qoss e la carica di reverse recovery Qrr generano anch’esse delle perdite durante lo spegnimento dello switch.Poiché i convertitori di commutazione cercano di attivare il più rapidamente possibile il MOSFET di alimentazione, il rapporto diF/dt può essere fino a dieci volte più veloce rispetto alle condizioni di riferimento, incrementando il valore Qrr del retificatore sincrono.Tale incremento di Qrr può essere utilizzato per calcolare la perdita di commutazione. Per gestire i picchi di tensione all’interno del rating di tensione drain-source sono diffusamente utilizzati dei circuiti snubber, i quali però introducono ulteriori perdite di potenza. Nel raddrizzamento sincrono, uno dei principali parametri associati al dispositivo che influenzano i picchi di tensione riguarda le caratteristiche del diodo integrato. A parità di tutte le altre condizioni, i diodi snappy presentano sempre picchi di tensione più elevati, che provocano ulteriori perdite nei circuiti snubber. La Figura 5mostra le forme d’onda nei dispositivi soft e snappy. La tensione di picco inferiore del dispositivo soft comporta minori perdite di potenza nel circuito snubber e un’efficienza di sistema migliore dello 0,5%, 94,81% contro 94,29% con carico del 20%, nonostante il dispositivo soft abbia un valore RDS(on) superiore del 25%. In condizioni di massimo carico, entrambi i dispositivi presentano la medesima efficienza.

Figura 5. Valore di picco Vdsdei MOSFET blocco SR in un convertitore DC-DC PSFB da 500W, dispositivo soft (a sinistra) e dispositivo snappy (a destra)

Conclusioni

La Figura 6mostra la tendenza della perdita di potenza nel retificatore sincrono del convertitore Phase Shifted Full Bridge da 800W. La perdita di potenza complessiva nel caso di impiego del MOSFET PowerTrench®da 3,6mohm è del 43% inferiore rispetto al dispositivo da 3,0mohm concorrente in considerazione delle perdite del gate driver e della perdita capacitiva in uscita più basse con carico del 10%. Inoltre, rispetto al concorrente da 4,7mohm, il MOSFET PowerTrench® da 3,6mohm permette di ridurre anche le perdite di conduzione in situazioni di massimo carico. In conclusione, appare dunque chiaro che il MOSFET PowerTrench® da 3,6mohm è in grado di ridurre sensibilmente le perdite di potenza in situazioni di carico sia leggero che massimo grazie al suo design ottimizzato. I nuovi MOSFETPowerTrench® sviluppati da Fairchild offrono dunque ai progettisti l’opportunità di migliorare significativamente l’efficienza di sistema e la densità di potenza.

Figura 6. Analisi delle perdite in un retificatore sincrono da 800W