Con el aumento dramático en el consumo de energía en todo el mundo hoy en día, el desarrollo de productos y dispositivos eficientes y confiables se ha convertido en un gran desafío para ingenieros y diseñadores. Cuando se trata de la eficiencia del dispositivo, todo debe comenzar con los pequeños componentes internos. Cuando se trata de fuentes de alimentación y convertidores de potencia, uno de los componentes clave para lograr mejores resultados son los MOSFET empleados en el sistema. Esta nota de aplicación muestra cómo los MOSFET SuperFET® II FRFET® de Fairchild pueden ayudar en el diseño general.
Con el aumento dramático en el consumo de energía en todo el mundo hoy en día, el desarrollo de productos y dispositivos eficientes y confiables se ha convertido en un gran desafío para ingenieros y diseñadores. Cuando se trata de la eficiencia del dispositivo, todo debe comenzar con los pequeños componentes internos. Cuando se trata de fuentes de alimentación y convertidores de potencia, uno de los componentes clave para lograr mejores resultados son los MOSFET empleados en el sistema. Esta nota de aplicación muestra cómo los MOSFET SuperFET® II FRFET® de Fairchild pueden ayudar en el diseño general.
Con muchas regulaciones gubernamentales que promueven la conservación de energía en todo el mundo, la mayoría de los expertos de la industria creen que los nuevos avances tecnológicos en los MOSFET de potencia están desempeñando un papel clave para brindar estos beneficios para las aplicaciones de conversión de energía. La mayor densidad de potencia, la eficiencia del sistema y la confiabilidad siempre son factores importantes para los sistemas de energía de servidores/telecomunicaciones. Los MOSFET de superunión se han utilizado en convertidores resonantes en estos sistemas, pero el rendimiento del diodo del cuerpo generalmente no es atractivo en estas topologías. El MOSFET de superunión de recuperación rápida de 650 V recientemente desarrollado, llamado SuperFET® II FRFET® MOSFET, cuenta con un diodo de cuerpo resistente, voltaje de umbral alto (Vth = 4 V), resistencia de encendido ultrabaja y velocidad de conmutación extremadamente rápida. Puede mejorar la confiabilidad y la eficiencia requeridas para aplicaciones de energía de servidor/telecomunicaciones.
Entre las tecnologías MOSFET de alto voltaje, el logro más notable en la reducción de la resistencia es la tecnología de equilibrio de carga. Los MOSFET SuperFET® II combinan una reducción del 40 % en RDS(ON) para un área de troquel dada en comparación con los MOSFET de superunión de la generación anterior, llamados MOSFET SuperFET®, con Qrr para una conmutación rápida y un rendimiento de diodo corporal. La reducción de RDS(ON) es solo uno de los beneficios, pero las mejoras en los siguientes parámetros aportan beneficios reales a las aplicaciones de convertidores resonantes. Se analizan más a fondo tanto la conmutación de voltaje cero como las técnicas resonantes LLC relacionadas con los diodos del cuerpo.
Como se muestra en la tabla de la Figura 1, la carga de compuerta Qg del MOSFET SuperFET® II FRFET® de 650 V/190 mΩ se reduce drásticamente en un 27 % en comparación con el MOSFET SuperFET® I FRFET® de 600 V/190 mΩ de la generación anterior. La Figura 1 muestra una comparación del comportamiento de recuperación inversa a ISD=10A, di/dt=100A/μs, VDS=400V, Tj=25°C. Se puede ver claramente que la carga de recuperación inversa Qrr del MOSFET SuperFET® II FRFET® ha disminuido en un 47 % en comparación con la generación anterior. Además, como se muestra en la Figura 2, el pico de voltaje del MOSFET SuperFET® II FRFET® durante la operación de recuperación inversa es más bajo que el del MOSFET SuperFET® I FRFET® debido a su característica de recuperación inversa suave y Qrr pequeño.
La capacitancia de salida MOSFET es otro parámetro parásito importante para comprender las topologías de conmutación de voltaje cero (ZVS). La capacitancia de salida del MOSFET se puede usar como componente resonante en topologías ZVS, determinando así la cantidad de inductancia requerida para proporcionar condiciones ZVS. Comprender la relación entre LC y el tiempo de conmutación hace que esta parte del ciclo de conmutación (casi) no tenga pérdidas en topologías resonantes. Por lo tanto, si la energía almacenada en la capacitancia de salida del MOSFET es pequeña, se requiere menos energía resonante para lograr una conmutación suave sin aumentar la energía circulante. Como se muestra en la Figura 2, el MOSFET SuperFET® II FRFET® tiene menos energía almacenada en su capacitancia de salida que el MOSFET SuperFET® I FRFET® a 400 V en el MOSFET generado a partir del voltaje del capacitor principal de una fuente de alimentación conmutada típica. menos.
La figura 4 muestra una comparación de las pérdidas de conmutación. Los MOSFET SuperFET® II FRFET® tienen un rendimiento de conmutación mucho mejor en comparación con los MOSFET SuperFET® I FRFET® de la generación anterior en pruebas de conmutación inductiva de abrazadera a Vdd = 400 V. Esto significa un 22-42 % menos de pérdidas por conmutación dependiendo de la corriente de carga. , Rg=4.7Ω, Id=2-20A.
Los convertidores resonantes LLC están sujetos a un alto estrés de corriente bajo sobrecarga, condiciones de cortocircuito de salida y corriente de entrada de arranque, lo que requiere dispositivos con características de robustez de diodo de cuerpo. Incluso cuando el voltaje y la corriente del MOSFET de potencia se encuentran dentro del área de operación segura, en diversas condiciones, como sobrecarga y cortocircuito de salida, se produce una falla inesperada del dispositivo citado. El peor de los casos es una condición de cortocircuito. Durante un cortocircuito, el MOSFET conduce una corriente muy alta (teóricamente ilimitada). Cuando ocurre un cortocircuito, el modo de operación durante un cortocircuito es casi el mismo que en una condición de sobrecarga, pero la condición de cortocircuito empeora debido a la corriente de recuperación inversa mucho más alta a través del diodo del cuerpo del interruptor. La figura 4 muestra las formas de onda de falla típicas de MOSFET de un convertidor resonante LLC en condiciones de cortocircuito. El nivel de corriente en una condición de cortocircuito es mucho mayor, lo que aumenta la temperatura de unión del MOSFET y lo hace más susceptible a fallas. Un MOSFET de recuperación rápida puede evitar esta falla con su sólido rendimiento de diodo de cuerpo.
El nuevo MOSFET SuperFET® II de recuperación rápida combina una conmutación rápida con un rendimiento de diodo de cuerpo intrínseco más rápido y robusto para una mejor confiabilidad y eficiencia en aplicaciones que incluyen convertidores resonantes. La carga de puerta reducida y la energía almacenada en la capacitancia de salida mejoran la eficiencia de conmutación y reducen las pérdidas de capacitancia de salida y de accionamiento. El rendimiento del MOSFET SuperFET® II de recuperación rápida permite a los diseñadores mejorar significativamente la eficiencia y la confiabilidad del sistema. Especialmente en el caso de convertidores de puente completo de cambio de fase o convertidores resonantes LLC de medio puente en condiciones anormales.