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MOSFET ad alta corrente: una necessità nella progettazione di potenza

da | 15 Mar, 23 | Power |

Nell’elettronica automobilistica e industriale di oggi, i MOSFET a bassa tensione (<100 V) hanno visto aumentare la richiesta di potenza elevata. Applicazioni come gli azionamenti dei motori richiedono oggi potenze in uscita dell’ordine dei kilowatt. Oltre ai vincoli di spazio dei moduli attuali, ciò significa che la necessità di gestire una maggiore potenza viene trasferita ai componenti, in particolare ai MOSFET. Ciò richiede un’attenta considerazione dei requisiti di progettazione e una comprensione dei valori nominali massimi nella progettazione dei circuiti per ottenere le migliori prestazioni dai MOSFET di potenza e mantenere l’affidabilità del dispositivo durante la vita operativa richiesta. Durante il Power Live Event di Nexperia, Stein Hans Nesbakk, application engineer, e Steven Waterhouse, international product marketing manager, entrambi di Nexperia, hanno sottolineato la necessità di valutare correttamente la corrente di drenaggio e l’eventuale utilizzo di circuiti di protezione per compensare gli eventi di alta corrente e offrire così un prodotto altamente affidabile. Il limite della corrente di drenaggio (ID) indicato nelle schede tecniche dei MOSFET di potenza è uno dei parametri più importanti in queste applicazioni ad alta potenza in cui è richiesta la gestione di correnti molto elevate.

La corrente Id

Il MOSFET ha tre terminali: gate, source e drain. La corrente può fluire attraverso uno qualsiasi di questi terminali, denominati IG, IS e ID. Gli ingegneri e i progettisti elettrici devono comprendere a fondo le capacità essenziali, i vincoli e le circostanze ambientali per scegliere il MOSFET più adatto all’applicazione. ID è la massima corrente continua drain-source che il MOSFET può sostenere quando è completamente potenziato a Tmb = 25°C e il die alla massima temperatura di giunzione. Come hanno osservato i relatori, si tratta di un unico parametro che comprende le prestazioni termiche, il rating di temperatura, la RDS(on), la resistenza del die in silicio e la resistenza del package. La corrente massima che un MOSFET può raggiungere deriva principalmente dalla potenza massima consentita nel MOSFET. Quando si calcola la corrente continua massima, si deve utilizzare la potenza massima allo stato stazionario. Se definiamo Tmb = 25°C, Tj(max) = 175°C e Rth(j-mb) = (0,4 K/W max), possiamo calcolare la potenza massima come segue:

I parametri chiave necessari per calcolare la potenza massima consentita sono l’impedenza termica tra il die e la base di montaggio Zth(j-mb) (Figura 1) e la resistenza termica tra il die e la base di montaggio Rth(j-mb). Rth(j-mb) è la resistenza termica che si riferisce alla risposta termica che ha raggiunto le condizioni di stato stazionario (dette anche condizioni di corrente continua).

Figura 1: Resistenza termica all’interno e all’esterno del MOSFET (Fonte: Nexperia)

Rth(j-mb) è la resistenza termica dalla giunzione alla base di montaggio. La resistenza termica transitoria dalla giunzione alla base di montaggio in funzione della durata dell’impulso è mostrata nella Figura 2. Come si può notare, la risposta termica del MOSFET è simile alla risposta elettrica di una rete RC. Come si può notare, la risposta termica del MOSFET è simile alla risposta elettrica di una rete RC. La sua resistenza termica varia a seconda del tipo di impulso erogato (impulsi singoli o impulsi PWM ripetuti con cicli di lavoro variabili) e per impulsi più lunghi di 10 ms, le curve iniziano ad appiattirsi dopo 100 ms, come si vede nel grafico. A questo punto si dice che il MOSFET ha raggiunto la stabilità termica. Quindi, dal punto di vista del MOSFET, si trova in una corrente continua termica. In questo caso, la resistenza termica si stabilizza entro 0,1 secondi, anche se Nexperia afferma che tutti i MOSFET vengono testati in laboratorio per più di 30 secondi. La temperatura di 175°C si riferisce alla temperatura di giunzione del MOSFET, il cui parametro è indicato come Tj. Tutti i MOSFET devono funzionare al di sotto di questa temperatura. P(max) si trova nella tabella dei valori limite del datasheet. Utilizzando la formula della potenza, possiamo calcolare la corrente di drenaggio:

RDS(on) è la resistenza di stato on del MOSFET. L’ID max può essere calcolato considerando la RDS(on) a Tj(max). Il grafico della Figura 3 può essere utilizzato per calcolare la corrente per un requisito di temperatura specifico.

Figura 2: Resistenza termica transitoria dalla giunzione alla base di montaggio in funzione della durata dell’impulso (Fonte: Nexperia)
Figure 3: Normalized drain-source on-state resistance factor as a function of junction temperature (Source: Nexperia)

Dopo aver determinato l’ID massimo teorico, il valore deve essere convalidato mediante test e verifiche. Altre considerazioni limitative saranno sottolineate e prese in considerazione al momento di finalizzare e salvaguardare l’ID(max) fornito nelle schede tecniche. A Tj = 175°C, ID(max) = 495 A è considerata la capacità teorica del PSMN70-40SSH. La misura di ID(max) viene verificata in laboratorio quando la temperatura di giunzione raggiunge Tj(max). La corrente sarà limitata dalla progettazione termica del PCB e dalla temperatura di esercizio. Poiché stiamo utilizzando la capacità massima del dispositivo e l’applicazione dipende dalla tecnica di montaggio, la corrente massima dell’applicazione può essere calcolata in base al valore ID(max) fornito dalla scheda tecnica. In un’applicazione, Nexperia non consiglia di superare Tj(max). La limitazione della temperatura massima di giunzione Tj del MOSFET a 175°C è dettata dai requisiti di affidabilità che i MOSFET devono soddisfare. Pertanto, 175°C è il limite di temperatura utilizzato da Nexperia per la qualificazione e il test di durata dei MOSFET, in linea con gli standard industriali. Tutti i MOSFET di potenza per autoveicoli devono soddisfare la specifica di temperatura di giunzione di 175°C.

Figure 4: Battery isolation and motor drive applications (Source: Nexperia)

La capacità di ID current max diventa critica nel tempo che intercorre tra il verificarsi di un’elevata corrente di sistema e la reazione del sistema. Nell’isolamento di e-fuse/batterie, questo è il tempo che intercorre tra il rilevamento e la reazione di una situazione di sovracorrente; nelle applicazioni di azionamento motore, diventa critico il tempo che intercorre tra il blocco del rotore e la reazione del sistema di controllo (Figura 4).

LFPAK package

MOSFET characteristics such as bond wires and copper clips, current spreading, and package thermals all have an impact on ID(max). A MOSFET’s ability to resist even very high working currents, great performance, robustness, and dependability are important characteristics. For today’s high-power automotive applications with space restrictions, the LFPAK package delivers outstanding performance and high durability and is intended for a smaller footprint and higher power density than older metal cable packages like the D2PAK.

Increased maximum current capacity and good current diffusion, better RDS(on), low source inductance, and reduced thermal resistance are all benefits of LFPAK copper-clip technology for bond-wire packages (Rth). The copper clip and solder die are used to attach the structure in LFPAK devices, resulting in low electrical and thermal resistance, as well as efficient current spreading and heat dispersal. Furthermore, the thermal mass of the copper clip minimizes the development of hotspots, resulting in better avalanche energy (EAS) and linear mode (SOA) performance.

Figure 5: LFPAK package (Source: Nexperia)

Leggi l’articolo originale a questo indirizzo.

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