Cómo aumentar la densidad de potencia y simplificar la refrigeración mediante el uso de MOSFET avanzados

Las aplicaciones de alta potencia y alta tensión, como los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos (VE), los servidores de datos de inteligencia artificial (IA), los accionamientos de motores y los sistemas de conversión de potencia, requieren una densidad de potencia cada vez mayor. Para satisfacer esta demanda, los diseñadores necesitan dispositivos de conmutación que funcionen de manera eficiente a niveles de potencia, temperaturas de unión y frecuencias de conmutación más elevados.

Estos objetivos pueden alcanzarse mediante el uso de transistores de efecto de campo de semiconductor (MOSFET) de óxido metálico basados en materiales semiconductores de banda ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC). Estos dispositivos se benefician ahora de mejoras en el diseño de la carcasa que optimizan la refrigeración.

En este artículo se analizan brevemente los retos a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas de alta potencia y alta tensión. A continuación, presenta los MOSFET de SiC de Nexperia, dotados de un encapsulado avanzado, y muestra cómo contribuyen a hacer frente a estos retos.

¿Por qué utilizar SiC para una alta densidad de potencia?

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) y los convertidores de alta densidad de potencia requieren dispositivos activos con valores nominales elevados de tensión y corriente, capacidad para funcionar a altas temperaturas y mayores velocidades de conmutación.

Los diseños de alta densidad de potencia se benefician enormemente de los semiconductores WBG, especialmente de los dispositivos de SiC. Estos dispositivos funcionan a tensiones más elevadas y ocupan menos espacio que los dispositivos de silicio (Si) con capacidades similares de gestión de potencia. Además, toleran temperaturas de unión más elevadas, lo que reduce las necesidades de refrigeración.

El SiC tiene un campo eléctrico de ruptura 10 veces superior al del Si, lo que da lugar a dispositivos con tensiones de ruptura más elevadas y dimensiones más reducidas para una misma capacidad de gestión de potencia. La mayor banda prohibida de los dispositivos de SiC les permite, además, soportar temperaturas de unión admisibles más elevadas. Además, el SiC presenta un punto de fusión más elevado, lo que, junto con una mayor conductividad térmica, mejora el rendimiento de refrigeración y permite su funcionamiento en un rango de temperaturas más amplio.

La mayor velocidad de deriva de los electrones saturados del SiC permite alcanzar frecuencias de conmutación más elevadas. Una mayor velocidad de conmutación se traduce en menores pérdidas de conmutación. Estas frecuencias de conmutación más elevadas también permiten utilizar inductores y capacitores más pequeños, lo que reduce aún más el tamaño y el peso.

Pérdidas en los dispositivos de potencia

El calentamiento interno de los dispositivos de potencia se debe a varias fuentes de pérdida de potencia. Estas pérdidas se deben tanto a componentes pasivos como a componentes activos; las asociadas a los dispositivos activos, como un MOSFET, incluyen las pérdidas por conmutación, por conducción y por diodo de cuerpo.

Las pérdidas por conmutación se producen cuando en un dispositivo coexisten simultáneamente la tensión entre el drenaje y la fuente (V_DS) y la corriente de drenaje (I_D). Esto ocurre cuando el dispositivo se enciende o se apaga (Figura 1).

Figura 1: Las pérdidas de conmutación se producen cuando V_DS e I_D son distintos de cero simultáneamente durante la activación (izquierda) o la desactivación (derecha). (Fuente de la imagen: Nexperia)

Cuando el dispositivo está apagado, el nivel de V_DS es alto y el de I_D es casi nulo. El dispositivo se activa al aumentar la tensión entre la puerta y la fuente (V_GS). A medida que el dispositivo se enciende,la I_D aumenta mientras que la V_DS disminuye; durante este intervalo, la potencia disipada por el dispositivo es igual a V_DS × I_D. Esta es la pérdida por conmutación al encendido y el dispositivo debe disipar esta potencia. La pérdida se expresa en términos de energía, tal y como muestra la variable E_ON (la integral temporal de V_DS × I_D) en la figura 1. La pérdida de desconexión comienza cuando V_DS es baja e I_D es alta. A medida que disminuye la V_GS, el dispositivo comienza a apagarse; la I_D desciende hasta cero mientras que la V_DS aumenta. Una vez más, la pérdida se produce cuando tanto la I_D como la V_DS son distintos de cero. La pérdida de energía en estado de apagado (E_off) se representa de forma similar a la pérdida en estado de encendido (la integral temporal de V_DS × I_D).

Dado que la pérdida de conmutación por transición es la integral temporal de V_DS × I_D, unas transiciones de activación y desactivación más rápidas reducen la energía disipada durante cada evento de conmutación. La capacidad de conmutación intrínsecamente rápida de los dispositivos de SiC les permite funcionar de manera eficiente a frecuencias de conmutación más elevadas que los MOSFET de silicio comparables. Además, el uso de un encapsulado de baja inductancia aumenta aún más la frecuencia máxima de conmutación.

Mientras el dispositivo está encendido, la corriente que circula a través de la resistencia del canal genera una tensión a través del mismo; las pérdidas por conducción resultantes son iguales a I_D² multiplicado por la resistencia del canal en estado activo (R_DS(ON)). Cuanto menor sea el valor de R_DS(ON) del canal, menor será la pérdida por conducción.

Las pérdidas en el diodo de cuerpo se deben a la descarga de la carga almacenada en el diodo de cuerpo del MOSFET durante la conmutación. Por lo tanto, los diseñadores necesitan MOSFET que cuenten con diodos de cuerpo sólidos y características de recuperación rápida que minimicen estas pérdidas, incluso cuando aumentan las temperaturas.

Encapsulado para mejorar el rango de temperaturas del SiC

Para hacer frente a los retos que plantea el diseño de alta densidad de potencia, Nexperia ha desarrollado una gama de MOSFET de SiC que incorporan una arquitectura de encapsulado con refrigeración por la parte superior (TSC) (Figura 2, parte superior). En comparación con la refrigeración por la parte inferior (BSC) (figura 2, parte inferior), la TSC ofrece varias ventajas.

Figura 2: A continuación, se muestra una comparación entre los envases TSC y BSC. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El BSC conecta el disipador térmico o la placa de refrigeración a la parte inferior de la placa de circuito impreso (placa CI) situada debajo del dispositivo que se desea refrigerar. La ruta térmica hacia el dispositivo es indirecta y se basa en vías térmicas, que son orificios en la placa de circuito impreso que pueden rellenarse con un metal, normalmente cobre, para conducir el calor a través de la placa. El disipador térmico no está conectado directamente al dispositivo, sino que utiliza las vías térmicas para la transferencia de calor. El material de interfaz térmica proporciona un acoplamiento térmico estrecho, al tiempo que mantiene el aislamiento eléctrico.

Por otra parte, la tecnología TSC proporciona un contacto térmico directo entre el dispositivo que se desea refrigerar y el disipador térmico o la placa de refrigeración. El disipador térmico está conectado al dispositivo mediante una placa metálica integrada, con un material de interfaz térmica que proporciona aislamiento eléctrico al tiempo que mantiene la conectividad térmica. Esta conexión directa reduce la impedancia térmica, lo que se traduce en una refrigeración más eficaz. Esto resulta especialmente beneficioso para los dispositivos de SiC; su mayor densidad de potencia y su capacidad para soportar temperaturas de unión hacen que la resistencia térmica sea un factor aún más crítico.

Otra ventaja de la tecnología TSC es que libera espacio en la cara inferior de la placa de circuito impreso, lo que permite colocar otros circuitos, como los de control de las puertas, más cerca del dispositivo.

Aplicaciones prácticas de los MOSFET de TSC

Los dispositivos QDPAK (SOT8114-1) de Nexperia (figura 3) utilizan la arquitectura TSC. Tienen una tensión nominal de 1200 V y están diseñados para ofrecer una alta eficiencia, una elevada densidad de potencia y un rendimiento térmico sólido en sistemas de conversión de energía para los sectores de la automoción y la industria.

Figura 3: Se muestran la disposición de los pines, el esquema de contorno, el símbolo esquemático y una vista del encapsulado QDPAK del MOSFET adjunto. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Los MOSFET QDPAK están integrados en un encapsulado plástico de montaje superficial (SMD) con un disipador térmico metálico en la cara superior. El disipador térmico está conectado internamente al terminal de drenaje del MOSFET para TSC. El encapsulado mide 15.0 mm × 15.4 mm × 2.3 mm y los 22 pines están separados por un paso de 1.14 mm.

Tenga en cuenta la conexión Kelvin en el terminal de origen. Si la señal de control de la puerta se aplica entre la puerta y los terminales externos de la fuente (figura 4, izquierda), la corriente interna variable (I_D) genera una tensión a través de la inductancia del cable de la fuente, que puede ser considerable a niveles elevados de corriente. Esta tensión está conectada en serie con la tensión de control de la puerta e introduce una retroalimentación no deseada durante la conmutación.

La conexión Kelvin (figura 4, a la derecha) se conecta internamente a la fuente, evitando la inductancia del cable de la fuente. La señal de control de la puerta se aplica entre esta conexión de Kelvin y la puerta, con lo que se evita la variación de tensión a través de la inductancia en serie interna del dispositivo, lo que reduce la retroalimentación no deseada en el bucle de control del circuito de potencia y disminuye las pérdidas de conmutación.

Figura 4: La conexión Kelvin (a la derecha) evita que la tensión a través de la inductancia del cable de la fuente se sume a la tensión de excitación de la puerta. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Todos los dispositivos QDPAK de Nexperia son MOSFET de canal N que se diferencian en cuanto a la disipación máxima de potencia, la intensidad nominal máxima continua y el R_DS(ON).

Por ejemplo, el modelo NSF040120T1A1HP puede soportar hasta 50 amperios (A) de I_D continua y disipar hasta 217 vatios. Con una I_D de 30 A y una tensión de puerta de 18 V, el valor típico de R_DS(ON) es de 40 miliohmios (mΩ), con un máximo de 60 mΩ.

El NSF030120T1A0HP disipa hasta 313 vatios con una I_D máxima de 68 A. Con una I_D de 40 A y una tensión de puerta de 18 V, presenta una R_DS(ON) típica más baja de 30 mΩ; el valor máximo es de 45 mΩ.

El NSF060120T1A0HP puede soportar hasta 152 vatios y una I_D máxima de 33 A. A 20 A y con la misma tensión de puerta de 18 V, presenta una R_DS(ON) típica de 60 mΩ y una máxima de 90 mΩ.

El último ejemplo es el NSF017120T1A0HP, que puede soportar una disipación de potencia de 469 vatios con una I_D máxima de 111 A. A 71 A y con una tensión de puerta de 18 V, presenta una R_DS(ON) típica de 17 mΩ; 26 mΩ como máximo.

La selección del producto se basa principalmente en los requisitos de potencia, que tienen por objeto ajustarse a la corriente necesaria para una aplicación concreta.

Conclusión

Los diseñadores de sistemas para el sector de la automoción, la inteligencia artificial, los accionamientos de motores y la conversión de potencia deben tener en cuenta una densidad de potencia cada vez mayor. Los MOSFET de SiC QDPAK de 1200 V de Nexperia combinan un rendimiento de conmutación rápido con una arquitectura de encapsulado TSC de conexión directa entre el chip y el disipador térmico, lo que permite una alta eficiencia, densidad de potencia y rendimiento térmico en estas aplicaciones exigentes.