Не одной лишь практикой жив радиолюбитель и иногда надо уделять внимание теоретической части. Продолжаем изучать новейшие технологии в области электроники и на очереди Infineon OptiMOS 6, обеспечивающий более высокую удельную мощность и повышающий экономическую эффективность схем, в которых оно используется.
С момента своего появления технология MOSFET получила широкое признание как отличный вариант для электронных ключей в схемах управления питанием. Коммерчески доступные с конца 1970-х годов структуры VDMOS (Vertical Diffused MOSFET) были первыми, которые удовлетворяли потребность в силовых ключах. Благодаря отличной эффективности переключения и высокому входному сопротивлению полевые МОП-транзисторы быстро стали привлекательной альтернативой биполярным. Правда их использование в силовой электронике было затруднено из-за высокого сопротивления во включенном состоянии, которое ограничивало способность VDMOS проводить большие токи.
Преодоление этого барьера заняло более 10 лет разработки и достижений в технологии производства. В конечном итоге это привело к выходу первых полевых МОП-транзисторов с «траншейным» затвором в конце 1980-х годов. Благодаря смещению канала в вертикальном направлении эта концепция позволила уменьшить расстояние между ячейками без негативного влияния на распространение тока. Существенное устранение области JFET в элементе резко уменьшило сопротивление во включенном состоянии, тем не менее значительное увеличение плотности ячеек не только сделало эти МОП-транзисторы конкурентоспособной альтернативой планарной технологии, но и выявило существенные недостатки.
Емкость затвор-сток (связанная с проникновением затвора в дрейфовую область эпитаксиальной структуры) и емкость затвор-исток (суммарная емкость между затвором и диффузией подложки/источника) увеличиваются линейно с плотностью ячеек в чипе. Вместе с масштабированием сопротивления во включенном состоянии, которое находится ниже линейной зависимости, это оказывает значительное влияние на значение процесса (FOM). Поскольку полевой МОП-транзистор управляется выводом затвора, — схема драйвера затвора должна обеспечивать полный заряд затвора (Qg), необходимый для включения данного транзистора.
Для схем с высокой частотой переключения желательно иметь как можно меньший заряд затвора, так как это пропорционально снижает потери управления. Часть общего заряда затвора связана с зарядом затвор-сток (Qgd), который определяет переходное напряжение стока. Более высокие значения Qgd влияют на скорость изменения состояния транзистора, но также увеличивают коммутационные потери и вынуждают использовать более длительные мертвые периоды. Стало очевидным, что необходимы контрмеры для снижения общих требований к характеристикам затвора и затвора-стока.
Новая эра началась с введения структур с компенсацией заряда, использующих тот же принцип, что и устройства с суперпереходом. Реализация устройств, использующих изолированные подложки глубокого поля в качестве расширения электрода затвора, позволила латерально опустошить дрейфовую область в выключенном состоянии. Боковое истощение изменяет распределение электрического поля по всей структуре, позволяя зафиксировать одно и то же напряжение на более короткой длине полупроводниковой структуры. Поскольку электрическое поле теперь может поддерживаться более тонкой и сильно легированной областью дрейфа, можно добиться значительного снижения сопротивления в открытом состоянии. Стоит отметить, что полевая пластина (расширение электрода затвора) приводит как к значительному увеличению обратной емкости Cgd (отсюда и заряды Qgd и Qg), так и к нелинейной зависимости от напряжения на стоке.
На самом деле емкость резко падает как только площадь полностью истощается. Эти недостатки вскоре были преодолены за счет использования полевой пластины, которая была изолирована от электрода затвора и вместо этого была электрически подключена к потенциалу истока. Хотя принцип компенсации заряда работает по-прежнему, пластина со скрытым полем не вносит дополнительных вкладов в емкость сток-затвор. Вместо этого полевая пластина защищает электрод затвора от потенциала стока, что снижает емкость затвор-сток (Cgd) и связанные с ней заряды. На момент своего появления эти устройства отличались лучшими в своем классе характеристиками с низким зарядом затвора и желательными характеристиками заряда затвор-сток, а также высокой скоростью переключения и хорошей лавинной устойчивостью.
Чтобы выйти на следующий этап эволюции мощности полевых МОП-транзисторов, новые устройства МОП-транзисторов необходимы для улучшения всех FOM. Это необходимо для обеспечения работы высокочастотных преобразователей SMPS, где потери связаны с нагрузками (переключение) и сопротивлением в открытом состоянии (проводимость). Чтобы соответствовать этим более строгим условиям, был разработан и реализован новый подход к конструкции ячейки, который впервые исследует реальную компенсацию заряда в 3D.
Во-первых, необходимо подключить электроды полевой пластины непосредственно к металлизации истока на верхней стороне транзистора, как показано на рисунке. Во-вторых, компоновка устройства должна перейти от обычного полоскового узора к сетке, что увеличивает площадь поверхности кремния для проводимости тока по сравнению с полосовой структурой, дополнительно снижая общее сопротивление в новых силовых МОП-транзисторах низкого и среднего напряжения OptiMOS 6. Чтобы еще больше уменьшить FOMg, Qgd была полностью переработана, чтобы минимизировать ее боковое расширение. Однако гораздо меньшие размеры затвора представляют собой новую проблему, поскольку использование поликремния в качестве материала привело бы к неприемлемо высокому внутреннему сопротивлению затвора. Введение затворных участков обычно решает эту проблему, но они ограничивают активную площадь, доступную для прохождения тока через транзистор, эффективно уменьшая максимальный ток устройства.
Вместо этого была введена новая схема металлических затворов, чтобы избежать весьма значительной потери активной площади. Она не только снижает внутреннее сопротивление затвора, но и улучшает его однородность по всему чипу. Кроме того, полевые пластины напрямую соединены с металлизацией истока, обеспечивая быстрый и равномерный переход при включении и выключении ключа. Это сводит к минимуму потери при переключении и устраняет риск нежелательного паразитного включения полевого МОП-транзистора из-за чрезмерного нарастания dv/dt.
Преобразователи промежуточных шин (IBC) считаются очень требовательными для мощных полевых МОП-транзисторов. Являясь частью архитектуры промежуточной шины (IBA), IBC представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, который выполняет промежуточное преобразование для питания этих понижающих напряжений в точке нагрузки (PoL) в телекоммуникационной системе.
Эта архитектура распространена в телекоммуникациях и центрах обработки данных и направлена на достижение наилучшей эффективности преобразования от источника питания переменного/постоянного тока к цифровым нагрузкам (xPU и ASIC). В зависимости от конечного применения, преобразователи PoL могут быть оптимизированы для работы как с узким, так и с широким диапазоном входного напряжения. В телекоммуникационных схемах, где шина 48 В демонстрирует высокую устойчивость к напряжению, регуляторы PoL часто работают с узким диапазоном входного напряжения (например, 12 В), что требует регулируемого IBC. Взяв на себя функцию регулирования в широком диапазоне входных сигналов (от -36 В до -75 В), IBC имеет довольно низкий КПД, но играет важную роль в определении общей эффективности комплексной системы. Поэтому повышение эффективности IBC имеет важное значение для повышения общей эффективности обработки.
В современных схемах центров обработки данных или передовых аппаратных ускорителях ИИ, на цифровые нагрузки должны подаваться большие токи менее 1 В. Эффективность двух каскадов можно максимизировать, играя с коэффициентом понижающего преобразования IBC и перекладывая бремя регулирования на PoL. Действительно, в этих устройствах часто используются нерегулируемые IBC в виде трансформаторов DCX, демонстрирующие типичный пиковый КПД превышающий 98%, что намного выше чем у их стабилизированных аналогов.
IBC в этом случае работает как изолированный преобразователь постоянного тока с номинальным входным напряжением -48 В (общий диапазон от -36 В до -75 В) и выходной шиной 12 В. Это полностью стабилизированный преобразователь в стандартном корпусе. Он работает с частотой коммутации 250 кГц и может обеспечивать выходной ток до 50 А. IBC основан на топологии полного моста с жесткой коммутацией (FB) с синхронным выпрямителем (SR) с отводом от середины (CT). на вторичной стороне. Эта компоновка схематически показана на рисунке.
В первичном преобразователе используется новейшая технология Infineon MOSFET, OptiMOS 6, с использованием устройств на 100 В (ISC030N10NM6) с максимальным значением RDS(on) = 3,0 мОм. Эти устройства доступны в корпусе SuperSO8 (5 мм x 6 мм PQFN) и заменяют транзисторы BSC050N10NS5 предыдущего поколения (OptiMOS 5), которые имели более высокое максимальное значение RDS(on) 5,0 мОм (также в корпусе SuperSO8). На вторичной стороне в схеме используются MOSFET-транзисторы с рабочим напряжением до 80 В, маркированные как SR. Используются либо четыре параллельных OptiMOS 5 BSC040N08NS5 с RDS(on) = 4 мОм в корпусе SuperSO8, либо четыре параллельных более новых OptiMOS 6 — ISZ053N08NM6i с самым низким в линейке RDS(on) = 5,3 мОм, доступные в меньшем корпусе PQFN с размерами 3,3 мм. х 3,3 мм.
Результаты, полученные в результате сравнения измеренной эффективности, показанные на рисунке, подчеркивают преимущества технологии OptiMOS 6. По сравнению с предыдущим поколением решение, использующее OptiMOS 6, демонстрирует впечатляющее повышение эффективности более чем на 0,4 % при нагрузке от 20 % до полной. Использование корпуса меньшего размера сокращает пространство на печатной плате отведенное для устройств SR, до 64%. Кроме того, максимальная температура в первичной точке конвертера снижается на 7,5°C.
Измерения эффективности в условиях мягкого переключения: тестирование IBC мощностью 1 кВт для центров обработки данных.
Этот IBC с фиксированным переключением мощностью 1 кВт, 4:1, LLC работает как DCX с входным напряжением, которое может находиться в диапазоне от 42 В до 60 В. технология коммутации, используемая в резонансной топологии LLC, позволяет значительно повысить эффективность телекоммуникаций и серверного питания.
На рисунке два силовых MOSFET OptiMOS 6 с рабочим напряжением 80 В, размещенные в корпусе SuperSO8, соединены параллельно друг другу на первичной стороне FB. Конфигурация FB создается с использованием четырех 25-вольтовых устройств OptiMOS 5 — IQE006NE2LM5 (корпуса PQFN 3,3 мм х 3,3 мм), соединенных параллельно как SR. Соотношение витков трансформатора 4:1. Резонансная частота ООО 310 кГц. Частота переключения устанавливается в соответствии с резонансом емкостной системы. Таким образом, коммутация при нулевом напряжении для главных выключателей и такое же переключение напряжения/тока для выключателей SR достигается конструкцией.
Значительно улучшенная производительность нового устройства 80V OptiMOS 6 не только повышает общую эффективность привода, но также позволяет использовать полевой МОП-транзистор двойного питания SuperSO8 для замены параллельно подключенного OptiMOS 5 для работы на 80 В (BSC030N08NS5) с RDS(on) не более 3 мОм на первичной стороне. Он заменен одним чипом OptiMOS 6 ISC014N08NM6 с самым низким в линейке значением RDS(on) 1,45 мОм.
Выше сравнивается эффективность в этом случае, демонстрируя улучшение во всем диапазоне нагрузок с лучшими значениями до 0,8% при использовании новейшей технологии MOSFET.
Подведем итоги
Таким образом, элементы OptiMOS 6 превосходят своих предшественников по всем критическим параметрам, предлагая сочетание низкого сопротивления во включенном состоянии и превосходной эффективности переключения. Сосредоточенная на устройствах в высокочастотных коммутационных системах, таких как телекоммуникационные источники питания SMPS и схемы преобразования солнечной энергии, технология имеет большой потенциал для значительных улучшений и в различных других областях применения.
Достижения в общей эффективности связаны с технологией этих устройств. Эти улучшения привели к созданию уникальной аппаратной структуры, в которой впервые использовалась трехмерная компенсация заряда в сочетании с металлическим затвором в мощном полевом МОП-транзисторе. В результате такая технология снижает сопротивление в открытом состоянии, значительно снижает заряд затвора, стока и улучшает равномерность переключения по всей площади чипа.
Измерения эффективности, проведенные в нескольких устройствах SMPS при жестком и мягком переключении, подтверждают значительный выигрыш на уровне полупроводников. В зависимости от топологии и условий нагрузки возможно повышение КПД блока питания до 1%, что еще больше подчеркивает превосходство нового решения.
