Utiliser un processus MOSFET avancé pour une densité de puissance et une fiabilité accrues

Les concepteurs d'alimentations pour des applications telles que les convertisseurs CC/CC, les commandes de moteurs, la commutation de charges, les data centers et les équipements de communication sont constamment confrontés au défi de réduire l'empreinte de leurs conceptions afin d'augmenter la densité de puissance. Cependant, une densité de puissance plus élevée requiert des dispositifs avec une dissipation thermique minimale pour maintenir la température de fonctionnement dans les limites et garantir la fiabilité. Pour y parvenir, il est nécessaire d'utiliser des dispositifs de commutation actifs non seulement plus petits, mais également à plus faibles pertes, pour un fonctionnement à des rendements supérieurs.

Lors du choix de dispositifs de commutation appropriés, les concepteurs doivent prendre en compte des caractéristiques telles que la taille, la résistance à l'état passant, la tension de claquage, la vitesse de commutation et la charge de recouvrement inverse.

Cet article fournit un bref aperçu des exigences de conception pour les alimentations utilisées dans des applications appropriées. Il présente ensuite une technologie de processus MOSFET avancée de Toshiba et montre comment les dispositifs basés sur cette technologie peuvent être utilisés pour répondre à ces exigences.

Évolution des exigences de conception pour les alimentations

Les dispositifs électroniques sont de plus en plus petits dans de nombreuses applications, y compris les communications, l'automobile, l'Internet des objets (IoT), l'Internet industriel des objets (IIoT) et les dispositifs corporels. Les concepteurs de ces systèmes ont besoin d'alimentations à découpage (SMPS) plus petites et à plus haute densité de puissance. Pour atteindre cette densité de puissance supérieure, il est nécessaire d'utiliser des composants plus petits et plus efficaces, permettant ainsi une température de fonctionnement interne plus basse et une fiabilité de conception accrue.

Les composants actifs les plus courants dans une alimentation à découpage sont les commutateurs MOSFET, que l'on trouve à la fois dans le circuit côté primaire ou haute tension et dans le circuit basse tension secondaire (Figure 1).

Figure 1 : Alimentation à découpage utilisant des MOSFET basse tension comme redresseur synchrone dans le circuit côté secondaire. Des MOSFET haute tension forment un étage de commutation en pont complet côté primaire. (Source de l'image : Toshiba Semiconductor and Storage)

Le côté primaire de l'alimentation à découpage fonctionne généralement à haute tension. Par exemple, dans les alimentations fonctionnant sur le réseau électrique, les MOSFET primaires redressent la tension de ligne. Le côté secondaire fonctionne généralement à une tension plus basse ; c'est le domaine d'application prévu pour les MOSFET basse tension.

Haut rendement et faibles pertes

Le rendement élevé d'une alimentation est obtenu en minimisant les pertes de puissance. Les pertes associées aux dispositifs semi-conducteurs actifs incluent les pertes par conduction, de commutation et de diode de substrat. Ces pertes surviennent à différents moments du cycle de fonctionnement du dispositif (Figure 2).

Figure 2 : Le cycle de fonctionnement d'un commutateur MOSFET (à gauche) inclut les intervalles ON, OFF et de transition (à droite), chacun avec sa propre source de perte de puissance associée. (Source de l'image : Toshiba Semiconductor and Storage)

Les MOSFET dans une alimentation à découpage fonctionnent selon deux états : passant (ON) ou bloqué (OFF). L'état du dispositif change en fonction de la tension grille-source (V_GS). Lorsque le dispositif est activé, la tension drain-source (V_DS) est à un niveau bas. À l'état passant, le courant drain-source (I_DS) dans le dispositif est déterminé par l'impédance de charge et la résistance drain-source à l'état passant (R_DS(ON)). Pour une charge inductive, le courant augmente de manière linéaire tout en chargeant le champ magnétique de l'inductance. Pendant la période ON, le courant traversant la résistance du canal génère des pertes par conduction proportionnelles au carré d'I_DS et de R_DS(ON). Lorsque le dispositif est désactivé, la tension V_DS est élevée et le courant I_DS représente le courant de fuite du dispositif, qui détermine les pertes par conduction à l'état bloqué.

Lors des transitions entre états, la tension et le courant sont simultanément non-zéro, et la puissance est dissipée dans le dispositif proportionnellement à la tension, au courant et à la fréquence de commutation. Il s'agit des pertes de commutation.

Les pertes de recouvrement sont dues au recouvrement inverse de la diode de substrat du MOSFET lorsqu'il passe d'un état conducteur à un état non conducteur. La charge résiduelle dans la jonction PN doit être éliminée pendant cette période, ce qui entraîne un pic de courant de recouvrement inverse et la perte de puissance associée. La perte est proportionnelle à la charge de recouvrement inverse (Q_rr) du dispositif, qui détermine le temps de recouvrement inverse.

La perte de puissance totale du dispositif correspond à la somme de toutes ces composantes.

Comment une structure en tranchée permet des dispositifs plus compacts

La structure physique d'un MOSFET affecte la taille et les dimensions du dispositif. La structure MOSFET à tranchée (Figure 3) est la construction la plus compacte, offrant la densité de canaux la plus élevée tout en réduisant la résistance R_DS(ON).

Figure 3 : La structure MOSFET à tranchée présente un flux de courant vertical, ce qui permet de réduire l'empreinte. (Source de l'image : Toshiba Semiconductor and Storage)

Les MOSFET planaires conventionnels utilisent un flux de courant horizontal ; le procédé de grille en tranchée forme un canal de grille vertical en forme de U. Ce flux vertical réduit l'empreinte du dispositif, permettant ainsi de créer davantage de dispositifs sur chaque plaquette. La structure diminue également la résistance R_DS(ON). De plus, la densité de configuration plus élevée permet la connexion en parallèle de plusieurs dispositifs, réduisant davantage la résistance à l'état passant. La taille réduite diminue également la capacité interélectrode, permettant une commutation plus rapide et un fonctionnement à plus haute fréquence.

Les pertes de commutation sont également fonction de la durée de la région de transition. La durée est déterminée par les capacités parasites du dispositif, exigeant un transfert de charge avant que l'état du MOSFET puisse être modifié. La charge de grille (Q_g) totale est la quantité de charge nécessaire pour changer le potentiel de la grille à sa tension désignée. Pour minimiser les pertes de commutation, il faut réduire le temps de commutation en diminuant Q_g. Le produit de R_DS(ON) et de Q_g est un facteur de mérite courant pour un MOSFET, indiquant le rendement du dispositif en combinant les pertes par conduction, qui sont proportionnelles à R_DS(ON), et les pertes de commutation, qui sont inversement proportionnelles à Q_g. Les meilleures performances sont signalées par une valeur plus faible pour le produit R_DS(ON) * Q_g.

Étant donné que les pertes de commutation incluent un terme pour la perte de recouvrement inverse de la diode de substrat, le produit de R_DS(ON) et Q_rr aide à comprendre l'impact individuel des pertes par conduction et de commutation. Bien que le produit de R_DS(ON) et Q_rr ne soit pas un facteur de mérite habituel, il offre une autre perspective sur la perte de puissance totale d'un MOSFET.

MOSFET U-MOS11-H de Toshiba

Le processus U-MOS11-H de Toshiba, basé sur une structure en tranchée améliorée, fournit des produits MOSFET avec une résistance R_DS(ON) plus faible pour des pertes par conduction réduites et des caractéristiques de commutation globales améliorées grâce à des valeurs Q_g et Q_rr plus faibles. Il constitue un choix idéal pour les applications basse tension et haut rendement, telles que les alimentations à découpage, les entraînements de moteurs et les alimentations de serveurs.

Le MOSFET TPH2R70AR5-LQ de Toshiba est répertorié à 100 V et illustre les améliorations apportées au processus U-MOS11-H. Comparé à un dispositif équivalent issu d'un processus antérieur, le TPH2R70AR5 offre une résistance R_DS(ON) environ 8 % inférieure et une charge de grille Q_g 37 % inférieure. Le facteur de mérite R_DS(ON) * Q_g résultant est 42 % inférieur.

Les pertes de recouvrement inverse sont minimisées en utilisant une technologie de contrôle de la durée de vie, qui introduit des défauts induits par faisceau d'ions dans le semi-conducteur pour augmenter la vitesse de commutation et réduire la charge Q_rr. La charge Q_rr est améliorée de 38 %, et le produit R_DS(ON) * Q_rr résultant est réduit de 43 %. Ces facteurs de mérite inférieurs indiquent une perte de puissance moindre, un rendement plus élevé et une densité de puissance supérieure.

Le TPH2R70AR5-LQ peut supporter une tension drain-source maximum de 100 V et des courants de drain jusqu'à 22 A en environnement ambiant et jusqu'à 190 A avec refroidissement (température de boîtier de +25°C).

La résistance R_DS(ON) est de 2,7 mΩ, dans le pire des cas, pour un courant de drain de 50 A et une attaque de grille de 10 V ; la résistance R_DS(ON) est de 3,6 mΩ, dans le pire des cas, pour un signal d'attaque de grille de 8 V. La charge Q_g est typiquement de 52 nC avec une attaque de grille de 10 V, et la charge Q_rr typique est de 55 nC.

Le TPH2R70AR5-LQ est fourni en boîtier SOP Advance(N) à montage en surface de 5,15 mm × 6,1 mm × 1 mm (Figure 4), offrant une excellente compatibilité de montage avec les normes de l'industrie.

Figure 4 : Vue du boîtier SOP Advance(N) (à gauche) et connexions de circuit internes pour le TPH2R70AR5-LQ (à droite). (Source de l'image : Toshiba Semiconductor and Storage)

Le format de ce boîtier est adapté aux caractéristiques V_DS maximum de 100 V du MOSFET. Les dispositifs à plus basse tension présentent des dimensions de boîtier plus petites en raison des exigences d'espacement réduites.

Le support de Toshiba pour ce produit inclut un modèle SPICE G0 pour aider les concepteurs à vérifier rapidement le fonctionnement des circuits. Un modèle SPICE G2 plus précis incluant une analyse transitoire est également disponible.

Conclusion

Le MOSFET basse tension TPH2R70AR5-LQ de Toshiba est spécialement conçu pour être utilisé du côté secondaire d'une alimentation à découpage. Il utilise une structure de cellule innovante qui réduit les pertes de puissance et améliore les caractéristiques de commutation du transistor, permettant ainsi la conception de dispositifs d'alimentation à haute densité de puissance et à haute fiabilité pour les applications modernes.