Conception électronique - Optimisation de la conception de PCB pour le MOSFET à super jonction?

Selon les tendances récentes en matière de conception de PCB, l'amélioration de l'efficacité est devenue un objectif clé et l'utilisation de dispositifs de commutation lente pour obtenir un meilleur Emi n'en vaut pas la peine. Dans les applications où les MOSFET plans sont difficiles à manipuler, les super - jonctions peuvent améliorer l'efficacité. Par rapport à la technologie MOSFET planaire traditionnelle, un MOSFET à super - jonction peut réduire considérablement la résistance de conduction et la capacité parasite. Bien que la réduction importante de la résistance de conduction et la réduction de la capacité parasite contribuent à l'amélioration du rendement, elle produit également une commutation rapide de la tension (DV / DT) et du courant (di / DT), ce qui entraîne un bruit à haute fréquence et un rayonnement EMI.

Pour piloter un MOSFET à super - jonction à commutation rapide, il est nécessaire de comprendre l'impact de l'encapsulation et du parasitisme de la disposition de conception de PCB sur les performances du commutateur, ainsi que les ajustements de la disposition de conception de PCB effectués pour l'utilisation de la super - jonction. On utilise principalement un MOSFET à super - jonction avec une tension de claquage de 500 - 600V. Parmi ces tensions nominales, les normes industrielles to - 220, to - 247, to - 3P et to - 263 sont les boîtiers les plus utilisés. L'impact de l'encapsulation sur les performances est limité car les longueurs des fils internes de liaison de grille et de source sont fixes. Seule la longueur du fil peut être modifiée pour réduire l'inductance source du boîtier.

L'inductance typique d'un fil de 10nh peut sembler modeste, mais le di / DT de ces MOSFET peut facilement atteindre 500A / isla¼ s! Supposons que di / DT soit de 500 A / isla¼ s et que la tension sur l'inductance de la sonde 10 nH soit vind = 5 V; Le blocage di / DT de l'inductance de la sonde 10 nH est de 1000 A / s et permet de générer une tension de vind = 10 v. La plupart des applications et des conceptions ne tiennent pas compte du fait que cette inductance supplémentaire génère également une tension, mais cela ne doit pas être ignoré. Le simple calcul ci - dessus montre que l'inductance source totale du boîtier, c'est - à - dire l'inductance de la ligne de jonction et de la broche, doit être réduite à une valeur acceptable. Une autre source de bruit est l'effet parasite de disposition. Il existe deux configurations parasites visibles: une inductance parasite et une capacité parasite. L'inductance d'une piste de 1 cm est de 6 - 10 nH. Cette inductance peut être réduite en ajoutant une couche en haut du PCB et une couche de GNd en bas du PCB. Un autre type est la capacité parasite.

Le principe du parasitisme capacitif dans la disposition. Les capacités parasites sont causées par deux traces ou traces adjacentes entre elles et le plan de masse de l'autre côté. Un autre type de capacité est la capacité entre le dispositif et le plan de masse. Deux lignes de marche parallèles de part et d'autre de la carte PCB peuvent augmenter la capacité et réduire l'inductance de boucle, réduisant ainsi le rayonnement de bruit électromagnétique. Considérez ces conseils de mise en page la prochaine fois que vous aurez besoin d'un MOSFET super - noeud pour votre conception.

Composants parasites dans l'encapsulation et la disposition

Les MOSFETs étant des dispositifs unipolaires, la capacité parasite est le seul facteur limitant les transitoires de commutation. Le principe d'équilibrage de charge réduit la résistance à la conduction d'une zone spécifique et la taille de la puce à la même RDS (conduction) est inférieure à celle de la technologie MOSFET standard. La figure 1 montre les capacités d'un MOSFET super - Jonction et d'un MOSFET plan standard. Le coss d'un MOSFET standard présente une relation modérément linéaire, tandis que la courbe de coss d'un MOSFET à super - jonction présente une relation fortement non linéaire. La valeur initiale de coss pour un MOSFET à super - jonction est plus élevée en raison de la densité de cellules plus élevée, mais dans un MOSFET à super - jonction, coss chutera rapidement autour d'une tension drain - source d'environ 50 v. Ces effets non linéaires peuvent provoquer des oscillations de tension et de courant lorsque le MOSFET à super - jonction est utilisé dans des convertisseurs PFC ou DC / DC. La figure 3 représente une vue schématique simplifiée d'un circuit PFC comprenant les éléments parasites internes d'un MOSFET de puissance et un circuit oscillateur externe. Le circuit oscillateur externe comprend un condensateur de couplage externe (CGD - Ext.) apporté par l'agencement.

Comparaison des capacités de sortie des MOSFET planaires et des MOSFET à super - jonction

En général, il existe plusieurs circuits oscillateurs qui affectent les caractéristiques de commutation d'un MOSFET, y compris les circuits oscillateurs internes et externes. Dans un circuit PFC, l, CO et dboost sont respectivement une inductance, un condensateur de sortie et une diode élévatrice. CGS, CGD int et CDS sont les capacités parasites du MOSFET de puissance. Ld1, ls1 et lg1 sont les lignes de jonction de Drain, de source et de grille et les inductances de broche du MOSFET de puissance. RG - int et RG - Ext sont la résistance de grille interne du MOSFET de puissance et la résistance de commande de grille externe du circuit. CGD = EXT est la capacité parasite grille - Drain du circuit. LD, LS et LG sont les inductances parasites des traces de Drain, de source et de grille d'une carte de circuit imprimé (PCB). Lorsque le MOSFET est conducteur ou bloqué, des oscillations parasites de grille se produisent dans le circuit résonnant par l'intermédiaire de la capacité grille - Drain CGD et de l'inductance de grille lg1.

Dans les conditions de résonance (Íl = 1 / Íc), la tension d'oscillation générée dans les tensions de grille et de source est très supérieure à la tension de pilotage. Les oscillations de tension dues aux variations de résonance sont proportionnelles au facteur de qualité Q (= L / R = 1 / CR). Lorsque le MOSFET est bloqué, l'inductance parasite de drain (LD + ld1), la capacité grille - Drain CGD et le réseau d'inductances de connexion de grille lg1 provoquent une tension d'oscillation de grille. Si la résistance de grille (RG ext + RG Int.) est très faible, q devient grand. De plus, la chute de tension aux bornes de LS et l'inductance parasite de source de ls1 créent des oscillations dans la tension grille - source. Des oscillations parasites peuvent provoquer un claquage grille - source, un mauvais EMI, des pertes de commutation importantes, une défaillance du contrôle de la grille et peut - être même une défaillance du MOSFET.

Il est important d'optimiser la conception du circuit pour maximiser les performances du MOSFET à surcouche sans impact négatif.