Desde que los transistores de estado sólido reemplazaron a los tubos de vacío, la industria de los semiconductores ha hecho un progreso increíble y ha cambiado nuestro mundo. Sin estas muchas mejoras, no podríamos trabajar de forma remota, permanecer conectados incluso en aislamiento forzoso y disfrutar de todas las demás maravillas que la tecnología tiene para ofrecer.
Como ejemplo, el esfuerzo continuo de los ingenieros para exprimir la cantidad de transistores por unidad de área en un chip de silicio ha permitido aumentos significativos en la potencia de procesamiento. Esta ley, conocida como Ley de Moore, es el resultado de la observación de que la densidad del transistor se duplica aproximadamente cada 18 meses y ha guiado el desarrollo de generaciones de microprocesadores en la industria de los semiconductores durante más de 50 años. Actualmente, estamos llegando a límites atómicos y físicos, lo que requiere nuevas técnicas como el apilamiento vertical de capas.
Al mismo tiempo, nos encontramos en medio de una nueva revolución con el desarrollo de semiconductores de banda prohibida ancha como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Los nuevos materiales tienen propiedades físicas únicas que permiten una mayor eficiencia, una mayor densidad de potencia y un rendimiento más seguro en condiciones térmicas más severas.
STMicroelectronics ya está produciendo MOSFET STPOWER SiC en masa, impulsando la adopción de vehículos eléctricos (EV) y marcando el comienzo de una era de electrificación masiva. También puede conducir eventualmente a la conducción autónoma de la movilidad sostenible.
Otra revolución en los transistores de potencia de silicio de alto voltaje (es decir, 200 V y más) se produjo a principios de siglo con la llegada de los MOSFET de superunión. A fines de la década de 1990, los diseñadores tuvieron que aceptar el “axioma” de que, para los transistores planos, la cifra de mérito (definida como la resistencia multiplicada por el área del chip) era proporcional al voltaje de ruptura (BV), que se elevó a 2.5. tuve que Este axioma implicaba que la única solución para alcanzar un valor más bajo de resistencia en un voltaje dado era aumentar el área del troquel. Esto ha dificultado el uso de dispositivos con paquetes de contorno pequeño. La tecnología de superunión salvó los MOSFET de alto voltaje al hacer que la relación anterior fuera más cercana a la lineal. ST llamó a esta tecnología MDmesh y la hizo parte de la submarca STPOWER.
Principio del transistor de superunión
El mecanismo de trabajo de un transistor de superunión utiliza una de las ecuaciones de Maxwell y la simplifica al caso unidimensional (p. ej., eje vertical y). Establece que el gradiente del campo eléctrico a lo largo de ese eje es igual a la densidad de carga r dividida por la permitividad e. En símbolos, dE/dy = r/e. Otra ecuación relaciona el voltaje V con la componente del campo eléctrico E a lo largo de y. Es decir, E = –dV/dy. En otras palabras, el voltaje V es la integral de E, o en términos geométricos, el área bajo la curva E en función de y. Puede ver cómo funciona comparando una estructura vertical MOSFET planar estándar con una estructura de superunión de tamaño similar. Una superunión es básicamente una extensión del cuerpo p del transistor básico dentro del drenaje vertical mediante la realización de un pilar tipo p.
En una estructura plana que parte de la superficie a lo largo del eje y (ver a la izquierda en la Fig. 1), encontramos un cuerpo p, por lo que el gradiente es positivo hasta que alcanzamos el punto A. De A a B hay desagües. Como tiene la polaridad opuesta, la pendiente cambiará a negativa. De B al sustrato, la polaridad se vuelve más negativa (n–) y, por lo tanto, la pendiente aumenta. El área verde del gráfico representa el voltaje que se puede sostener en el estado apagado. En el diagrama de superunión de la derecha, agregar un pilar de región tipo p cambia la distribución del campo eléctrico. De hecho, de C a A, la distribución del campo eléctrico permanece constante (cuerpos y pilares tienen la misma polaridad) y el dren y el sustrato invierten la pendiente como en la estructura plana. Como resultado, el área bajo el campo eléctrico aumenta, de modo que se mantiene el voltaje V2. Aquí los pilares realizaron su magia. Ahora, a un voltaje dado, podemos reducir la resistividad de drenaje y reducir la resistencia.
Figura 1: MOSFET planar (izquierda) y MDmesh de superunión (derecha)
Evolución de la tecnología
Desde su primera aparición, los transistores MDmesh se han perfeccionado y mejorado constantemente y aún se benefician de su uso en una amplia gama de aplicaciones de conversión de energía. La tecnología de proceso para crear pilares verticales se ha optimizado significativamente para mejorar el rendimiento de fabricación y la durabilidad del dispositivo. Varias series de productos dedicados están disponibles según la topología y la aplicación del circuito de destino. Esta versatilidad técnica y flexibilidad brinda a los diseñadores de sistemas una variedad de opciones para elegir. La versátil serie M2 ofrece la mejor relación precio/rendimiento en el rango de 400-650 V, con variantes específicas de aplicación para PFC individuales, LLC de conmutación suave y topologías de puente, con capacidad de voltaje extendida a 1700 V. Estoy aquí. .
Además, las técnicas de eliminación de por vida, como la implantación de iones de platino, se utilizan para mejorar el rendimiento de los diodos de cuerpo monolítico con el fin de reducir el tiempo de recuperación inversa t.rrla carga inversa de recuperación Qrr dV/dt mejorado aún más (serie DM). Estas características son ideales para puentes y circuitos de cambio de fase de alta potencia. Las versiones de diodo rápido también pueden competir con los IGBT en unidades de motor de baja potencia, lo que elimina la necesidad de diodos empaquetados conjuntamente. En términos de eficiencia, un ejemplo típico lo representa un inversor de 150 W para un compresor frigorífico, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Curva de eficiencia del inversor del compresor para MOSFET e IGBT MDmesh de diodo rápido en paquete DPAK. Condiciones de prueba: 0,23 Nm (carga), 220 V/50 Hz (voltaje de entrada)
¡No sorprende que se hayan producido miles de millones de transistores MDmesh ubicuos!
La Figura 3 muestra cuán entusiastas han sido los diseñadores de ST para mejorar las primeras versiones de M2 al comparar las características logradas en la última serie M6 optimizada para convertidores resonantes.
FIGURA 3: M2 A M6: CARGA DE PUERTA, VOLTAJE DE UMBRAL Y CAPACITACIÓN DE SALIDA MEJORADOS
En el gráfico de la Figura 3, de izquierda a derecha, la carga de compuerta más baja, el voltaje de umbral más alto y la capacitancia de salida lineal versus voltaje conducen a una frecuencia de conmutación más alta, pérdidas de conmutación más bajas y una eficiencia más alta con cargas livianas.
La tecnología de superunión combinada con pasos de proceso de última generación dan como resultado MOSFET de alto voltaje y alto rendimiento con un enfoque especial en parámetros de conmutación clave como dI/dt y dV/dt, como se muestra en el diagrama de operación segura en la Figura 4. Realizado. Gracias a estas mejoras, la serie DM6 MDmesh es ideal para aplicaciones como inversores solares, estaciones de carga y cargadores de vehículos eléctricos a bordo (OBC).
FIGURA 4: dI/dt frente a dV/dt ÁREA DE OPERACIÓN SEGURA
Áreas de aplicación
Los transistores MDmesh de ST se utilizan en numerosas aplicaciones y esto nos permite demostrar sus méritos en una selección pequeña pero representativa.
Una de las aplicaciones más voluminosas son los adaptadores para teléfonos inteligentes. La figura 5 muestra la versión de 120 W.
Figura 5: MDmesh para adaptador de teléfono inteligente
La Figura 6 muestra cómo la serie M5 ‘personalizada’ puede mejorar la eficiencia de un PFC de 1,5 kW a potencias más altas en comparación con la serie M2 ‘básica’. Los dos MOSFET utilizados exhiben una resistencia de encendido similar (resistencia de encendido de 37 mΩ y 39 mΩ para M5 y M2, respectivamente) y capacidad de bloqueo de voltaje (650 V).
Figura 6: Cómo la serie M5 (azul) mejora la eficiencia de PFC a alta potencia
Otro ejemplo interesante se muestra en la Figura 7. Se compara un circuito LLC de medio puente de 3 kW para OBC automotriz con el último DM6 (STWA75N65DM6) y el mejor competidor en Vin = 380-420 V, Vout = 48 V, frecuencia de conmutación f =. 250Hz-140kHz.
FIGURA 7: LLC DE PUENTE COMPLETO DE 3 kW: DESCONEXIÓN DE ENERGÍA Y EFICIENCIA DELTA VS Pout
Por Filippo Di Giovanni, marketing estratégico, innovación, director principal de programas, ST Microelectronics
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