MOSFET de potencia de superunión de 600V/650V para alta tensión

Escrito por gm2Miércoles, 08 de Mayo de 2013 10:09

Dispositivos de referencia por ofrecer las resistencias drenador-fuente más bajas y velocidadesde conmutación elevadasUna opción ideal para aplicaciones que exigen la máxima eficiencia energética en control demotores, energías renovables, fuentes de alimentación y otras.

IntroducciónLa creciente demanda de eficiencia en electrónica de potencia exige la búsqueda continua delas mejores soluciones posibles. Aplicaciones como fuentes de alimentación, control demotores, energías renovables y técnicas de iluminación son ejemplos típicos en mercados queexperimentan un fuerte crecimiento y que exigen semiconductores de potencia que maximicenla viabilidad económica. Esto implica la más alta eficiencia en funcionamiento estático así comocon una frecuencia de conmutación cada vez más elevada. Estructuras convencionales delsemiconductor como la construcción planar de un MOSFET de potencia se encuentran amenudo en sus límites desde un punto de vista físico. De ahí que Renesas haya desarrolladouna línea completamente nueva de MOSFET de potencia con la llamada estructura deSuperunión. Se cubren así los requisitos exigidos en funcionamiento estático y dinámico. Losparámetros típicos de las propiedades estáticas y dinámicas son la RDSON (resistenciadrenador-fuente en estado de conducción) y la QGD (carga puerta-drenador), respectivamente.

Fundamentos sobre pérdidas de potencia, ecuaciones y parámetrosEn un MOSFET de potencia, la denominada RDSON influye mucho sobre las pérdidas.

Pérdidas de potencia de un MOSFET de potencia en modo estático

Durante la conmutación, se deben sumar las pérdidas en la estructura del diodo para calcularlas pérdidas totales. Se aplican esta ecuación y su aproximación:

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intercambiando los símbolos   “u, U” por “v, V”:

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Pérdidas en la estructura del diodoLa potencia en la etapa del controlador se puede considerar una pérdida. La carga de puertaQG influye mucho sobre estas pérdidas. El cálculo se realiza de esta manera:

cambiar por

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Por tanto, tanto RDSON como QG influyen sobre las pérdidas. El término “factor de mérito”FOM combina ambos parámetros mediante una multiplicación. Se trata de una forma sencillade valorar la eficiencia.

Para la carga puerta-drenador también se usa el símbolo “QGD”.

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1.    Pton: turn-on, Switching losses, Switching on process.        Pton=1/6x ž1xV1xtw1xf, = 1/6x7.8Ax84Vx0.5usx48.8kHz,=2.66W.2.    Pon, Statics loss.        Pon=ž22xRDS(on)(max)xaxtw2xf,=4A2x0,16Wx2.0x11.5usx48.8kHz,=2.87W3.    Ptoff: turn-off, Switching losses, Switching off process.        Ptoff=1/6x ž2xV2xtw3xf, = 1/6x4.0Ax54Vx0.3usx48.8kHz,=0.53W.4.    Ptotal, Total power losses.        Ptotal=Pton+Pon+Ptoff,=2.66W+2.60W+0.53W,=5.8W.

Renesas ha desarrollado una línea totalmente nueva de productos MOSFET de potencia desuperunión (SJ-PMOSFET). Su rango de tensiones de 600V/650V, junto con un rango decorrientes de 6,1A a 55A, cubren la mayoría de aplicaciones de consumo y en la industria. Losreducidos valores de RDSON y QG obtenidos dan como resultado un FOM que proporcionauna base ideal para el diseño de un circuito eficiente desde un punto de vista energético. Parael rango de pérdidas estáticas, esta línea de productos ofrece diversas ventajas respecto a lasestructuras de los MOSFET de potencia convencionales. A frecuencias más altas (> 50 kHz),los SJ-PMOSFET son notablemente superiores incluso a los IGBT por lo que se refiere a suspérdidas de potencia totales. Ejemplos de encapsulados estándarLos SJ-PMOSFET se construyen generalmente sobre un sustrato N+. La estructura estácompuesta por múltiples columnas que forman capas de material con dopaje P en un materialcon un bajo dopaje N. Un proceso de crecimiento epitaxial multietapa construye las columnascapa a capa, incrementando así el grosor total de la capa implantada hasta que se logra latolerancia de tensión necesaria. Esta versión del proceso se muestra a continuación en lafigura 1 (centro). No obstante, el inconveniente de este proceso de producción es el proceso decrecimiento epitaxial relativamente bajo de capas de columnas para formar columnas y sucomplejidad por las múltiples repeticiones de los pasos. Renesas ha desarrollado un nuevo método propio para construir estructuras de superunión queevitan los inconvenientes citados. Renesas aplica la técnica de zanja profunda (deep-trench),un proceso de producción que exige el grabado de zanjas en el material de tipo N de bajodopaje para formar regiones de material de tipo P. La figura 1 (dcha.) ilustra la estructura dezanja profunda. Gracias a un proceso de producción fiable, una alineación de la máscara dealta precisión y el dopaje, junto con la miniaturización de columnas de material de tipo P,permiten obtener valores muy bajos de RDSON  así como una capacidad internaextremadamente baja, que a su vez conllevan unos valores bajos de QG (QGD). Esto da comoresultado los mejores valores del FOM.La figura 2 muestra la sección transversal de una estructura de zanja profunda.

Un miembro de la familia es el dispositivo RJK60S5DPK, cuyos valores máximos absolutos sonde 600V, 20A; logra unos excelentes resultados por lo que respecta a las pérdidas estáticas ylas propiedades de conmutación. La resistencia específica por unidad de superficie esalrededor de un 52 por ciento más baja que en las estructuras convencionales. Los valoresexcepcionalmente bajos de la carga puerta-drenador QGD, alrededor de un 80 por cientoinferiores a las estructuras convencionales, permiten una rápida conmutación con un bajo nivelde pérdidas. Las ventajas para el usuario, se si comparan con las estructuras convencionales,es la baja generación de calor en el dispositivo, que permite obtener diseños de circuitoscompactos, el uso de encapsulados de tamaño más reducido y unos disipadores favorables. Una versión derivada de este dispositivo incorpora un diodo de recuperación rápida que,gracias a su mayor velocidad de conmutación, reduce aún más las pérdidas de potenciadurante la conmutación, y consigue reducir así la generación de calor (figura 4). Durante los próximos años, la familia SJ-PMOSFET se verá ampliada continuamente con otrosrangos de corriente y versiones para tensiones más elevadas. Además, Renesas ofreceráversiones características optimizadas para determinadas áreas de aplicación.

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Ejemplo de aplicación: fuente de alimentaciónLa fuente de alimentación se puede citar como demostración de la creciente demanda deeficiencia para una aplicación.El ejemplo muestra la topología del circuito (figura 5) de una fuente de alimentación conrectificación síncrona. La topología contiene un control de corrección del factor de potencia(Power Factor Correction, PFC) y un medio puente, ambos equipados con SJ-PMOSFET de“zanja profunda” en el lado primario. El lado secundario incorpora MOSFET de potencia demedia tensión con tolerancias de tensión de 60V. Además de componentes discretos, Renesassuministra también otros componentes fundamentales como el CI PFC y los CI pararectificación síncrona, optoacopladores para señales de control con aislamiento galvánico y unmicrocontrolador para los controles del conjunto.

Los SJ-PMOSFET implementados realizan una contribución decisiva para aumentar laeficiencia.El diagrama de la figura 6 muestra el incremento de la eficiencia obtenido gracias alSJ-PMOSFET de “zanja profunda” aquí presentado y se compara con un producto de lacompetencia con una estructura SJ epitaxial. Soporte en línea para selección de productosMediante la reestructuración y la mejora de su soporte para búsqueda de referencias cruzadasy búsquedas paramétricas, Renesas ha simplificado notablemente el proceso de selección deproductos. El soporte añadido para aplicaciones, que va más allá del puro soporte paraselección del dispositivo, ofrece un gran valor añadido al usuario. Se puede acceder al soporte para selección de productos presentado a continuación a travésde un sitio web centralizado: http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp El claro diseño gráfico de un diagrama de flujo (Figura 7) ayuda a seleccionar el producto.Partiendo de una aplicación prevista y de una topología de circuito a desarrollar, al pulsar sobreel campo apropiado se active la función deseada, como la búsqueda de referencia cruzada, labúsqueda paramétrica o la descripción general del producto.

El enlace de Internet para referencia cruzada: http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch ayuda aencontrar el dispositivo equivalente más similar de Renesas para un dispositivo determinado dela competencia; se ofrecen varias opciones siempre que resulte apropiado. Los parámetrosmás importantes se ofrecen directamente y se puede descargar al instante la hoja de datoscompleta. La referencia cruzada no solo está disponible para la nueva serie de productos SJ-PMOSFETsino para toda la oferta de productos.

Para muchos productos, especialmente para los SJ-PMOSFET, se pueden descargar tambiénlos parámetros SPICE de manera que se pueda similar el comportamiento básico deldispositivo incluso antes de que estén disponibles las muestras. Otra herramienta para selección de productos es la herramienta de búsqueda paramétrica, a lacual se puede acceder a través de este sitio web: http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion= Aquí la búsqueda de los productos deseados se puede refinar mediante la introducción oselección de parámetros pulsando el ratón o moviendo el cursor. A continuación se muestra lalista de productos correspondiente.

Otra aportación muy práctica de esta herramienta es la posibilidad de exportar la lista depropuestas a una hoja de Excel para procesarla.Otra herramienta para la selección de productos utiliza, en lugar de las características delproducto, la aplicación a desarrollar y su propia topología como punto de partida. Esteplanteamiento muy práctico permite que el desarrollador tenga una visión general acerca de losdispositivos propuestos para las topologías del circuito a desarrollar.

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Soporte de simulación en líneaAdemás de la posibilidad de analizar la idoneidad básica del SJ-PMOSFET en el circuito con laayuda de los parámetros SPICE en nuestro propio ordenador, Renesas ofrece asimismo unentorno completo de simulación denominado “Powere SIM” en su página web.

Esta herramienta se ofrece de forma gratuita para el usuario. Por ejemplo, tomando comopunto de partida la topología y los componentes del circuito seleccionado, se pueden simularlas formas de onda de señal, la respuesta de frecuencia, el comportamiento térmico, laeficiencia y otros. Este entorno de simulación incorpora mejoras continuamente y ofrece unaplataforma ideal para que el usuario acelere notablemente el proceso de desarrollo con unmínimo esfuerzo. ResumenCon su nueva serie de MOSFET de potencia de superunión (SJ-PMOSFET) basada en unatecnología propia de zanja profunda, Renesas ha establecido una nueva referencia entre lossemiconductores de potencia de alta eficiencia. Esto permite lograr un notable aumento de laeficiencia en la aplicación. El proceso de producción es totalmente propio, lo cual garantiza altacalidad del producto de manera uniforme.Para los usuarios, Renesas suministra todo un conjunto de herramientas funcionales paraselección de productos en línea y se puede acceder a todas ellas de forma centralizada através del sitio web. La selección del producto en función de la topología prevista del circuito esuna novedad para que el proceso de selección sea aún más efectiva. Los productosseleccionados de esta forma se pueden similar directamente en los circuitos mediante laherramienta en línea gratuita Powere SIM “, que acelera el proceso de desarrollo.¡Se han simplificado la identificación y la implementación del producto! Autor: Por: Steffen Hering, A&P Product Management, Renesas Electronics Europe Más información o presupuesto

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