🚀 Inovações Eletrônicas em Destaque 31/01/24: Novos MOSFETs para o Futuro da Eletrônica de Potência

31 de janeiro de 2024 0 Comentários Leitura: 14 min

A inovação no mundo da eletrônica de potência vem de muitas fontes, incluindo novos materiais, topologias de fonte de alimentação mais avançadas, componentes passivos otimizados, embalagens e tecnologias de refrigeração. Mas alguns dos maiores impactos vêm dos MOSFETs, que estão no coração de tudo isso.

Nesse contexto, os principais players do mercado de semicondutores de potência estão aumentando a aposta com uma nova geração de MOSFETs de potência otimizados por dentro e por fora para maior eficiência, taxas de comutação mais rápidas e dissipação de calor superior. Esses dispositivos de potência se beneficiam de inovações em tudo, desde as estruturas internas até a embalagem, para ajudar a enfrentar os desafios únicos em setores que vão desde centros de dados – que estão sob pressão de novos processadores de IA e GPUs que consomem muita energia – até acionamentos de motores industriais, inversores solares e o veículo elétrico.

Sumário

O primeiro MOSFET de trincheira de 15 V em um pacote PQFN

Novos aceleradores de IA que consomem muita energia, como as GPUs H100 da NVIDIA, têm uma potência de design térmico (TDP) de 700 W, enquanto as CPUs, FPGAs e chips de IA mais avançados para data centers estão logo atrás.

Essa tendência está levando as especificações de potência por rack para até 90 kW, o que entra em conflito com o que a maioria dos data centers consegue gerenciar, de 15 a 30 kW por rack. Requer inovações em toda a rede de fornecimento de energia (PDN) que sustenta os data centers. À medida que as demandas de energia do rack continuam a aumentar, é vital fornecer energia extra com segurança e confiabilidade em um espaço apertado, pois limita e remove o calor gerado.

A Infineon Technologies lançou a família de MOSFETs OptiMOS 7 , o que chamou de primeiro MOSFET de potência de trincheira de 15 V do mundo, que é direcionado à conversão DC-DC de alta relação necessária para fornecer energia suficiente aos chips de data center. A Infineon disse que os MOSFETs de canal N oferecem maior eficiência de energia, menores perdas de comutação e maior área operacional segura (SOA) para aplicações de alta corrente, juntamente com pacotes que cabem em espaços pequenos.

Comparado com seu MOSFET OptiMOS 5 25 V atual, o OptiMOS 7 15 V atinge um R _DS(on) e FOMQ _g em aproximadamente 30%, e FOMQ _OSS em cerca de 50%, reduzindo a tensão de ruptura. As melhorias dentro do MOSFET ajudam a minimizar as perdas de condução e comutação, disse a empresa. Combinados com o uso de embalagens avançadas, esses ganhos significam que o gerenciamento térmico se torna fácil e eficaz. Com todos esses recursos trabalhando a seu favor, os chips estabelecem “novos padrões” tanto para densidade de potência quanto para eficiência total.

A família está alojada no mais recente pacote de origem PQFN de 3,3 × 3,3 mm ² da Infineon em áreas padrão e de porta central que podem ser resfriadas de baixo para cima ou de ambos os lados ao mesmo tempo. Outros membros da família cabem dentro de uma variante PQFN 2 × 2 mm2 robusta com clipe reforçado. O pacote menor também pode tolerar uma capacidade de corrente pulsada superior a 500 A e oferece R _thJC de 1,6 K/W.

O FET de potência de 100 V é resfriado de cima para baixo

O gerenciamento térmico pode fazer ou quebrar qualquer fonte de alimentação. Em geral, o contato na parte inferior do pacote é o principal contribuinte quando se trata de manter os MOSFETs de potência resfriados. A maior parte do calor gerado pelo FET é projetada para ser transferida para o PCB antes de ser dissipada do sistema.

Para enfrentar a difícil tarefa de resfriar FETs de potência em projetos de alta potência, a Alpha and Omega Semiconductor (AOS) desenvolveu um MOSFET de 100 V em um pacote DFN 5 × 6 chamado AONA66916, que traz resfriamento superior e inferior para o mesa. O resfriamento superior e inferior dentro do pacote DFN remove mais calor entre o contato superior exposto e o dissipador de calor colocado em cima dele devido à grande área de superfície exposta do lado superior, aumentando a eficiência e a durabilidade do design final.

O resfriamento do FET de ambos os lados da embalagem reduz significativamente a resistência térmica (R thc -top max) até 0,5°C por W. Esses resultados são transferidos para o PCB. O pacote DFN com exposição superior é um substituto imediato para um pacote DFN 5×6 padrão, pois cabe na mesma área de 5 x 6 mm. O preço do novo MOSFET é de US$ 1,85 por unidade em pedidos de 1.000.

A outra vantagem do AONA66916 é o uso da tecnologia AlphaSGT de 100 V da AOS, proporcionando altos valores de mérito (FOM) para topologias de energia de comutação rígida, incluindo PFC, em sistemas industriais de telecomunicações e serviços pesados que muitas vezes lidam com condições adversas. O FET tem uma classificação máxima de resistência (R DS(on) ) de 3,4 mΩ, enquanto a classificação de temperatura da junção é de 175°C.

Até 48-V MOSFETs de Potência Elevam Padrão para Resistência

A ROHM Semiconductor revelou uma nova série de MOSFETs de potência visando fontes de alimentação de 24, 36 e 48 V utilizadas em tudo, desde estações base e data centers até acionamentos de motores industriais e de consumo. Em geral, os FETs de potência são caracterizados por dois parâmetros principais, levando a perdas excessivas de energia. A resistência de ligação (RDS(on)) é a quantidade de resistência que existe entre o dreno e a fonte enquanto o FET está ligado, o que impacta diretamente a perda de energia durante a condução.

A carga de gate-dreno (QGD) é a quantidade de carga ao carregar a capacitância entre o gate e o dreno após o FET ligar, o que impacta diretamente a velocidade de comutação do dispositivo de potência. A comutação mais rápida equivale a melhores perdas de comutação.

Mas pode ser desafiador melhorar uma característica sem comprometer a outra. Como se vê, o RDS(on) do MOSFET é inversamente proporcional à área do die do dispositivo, enquanto o QGD aumenta proporcionalmente com a área do die. A empresa está enfrentando esse compromisso usando conexões de clipe de cobre em vez da ligação padrão “ribbon”, além de melhorar a construção do gate interno no FET de potência. A ROHM disse que as séries RS6xxxxBx e RH6xxxxBx elevam o padrão para eficiência de potência. Os MOSFETs de potência entregam cerca de 50% menos RDS(on) a 2.1 mΩ do que a concorrência, ocupando pacotes HSOP8 de 5.0 × 6.0 × 1.0 mm ou HSMT8 de 3.3 × 3.3 × 0.8 mm. Os pacotes têm conexões de clipe de cobre que limitam a quantidade de resistência criada pelo próprio pacote e aumentam a capacidade de corrente para 120 A. Melhorias na construção interna do gate reduzem o QGD – tipicamente um compromisso com o RDS(on) – em 40% a 60 V.

Com tensões de ruptura de 40 a 150 V, diz-se que os interruptores entregam eficiência de pico de mais de 95% na faixa de corrente de saída durante a operação estável quando usados em fontes de alimentação de grau industrial.

FETs de Potência Automotivos Com Pacotes Asa-de-Gaivota

A Toshiba Electronics apresentou uma família de MOSFETs de potência N-channel de 40 V de grau automotivo que une seu mais recente processo U-MOS IX-H com um novo pacote L-TOGL (Large Transistor Outline Gull-wing Leads).

Os primeiros chips da família, o XPQR3004PB e o XPQ1R004PB, apresentam uma alta classificação de corrente de dreno com baixa resistência de ligação, enquanto a nova embalagem se presta a uma remoção mais eficaz do calor de um sistema.

Unificando a parte conectiva da fonte e os terminais externos com um clipe de cobre, o pacote L-TOGL não possui uma construção de pino interno. Uma estrutura de múltiplos pinos para os terminais da fonte reduz a resistência do pacote para cerca de 30% do pacote TO-220SM(W) existente, elevando a classificação de corrente de dreno do XPQR3004PB para 400 A—1,6 vezes maior que seu antecessor. O uso de uma moldura de cobre espessa reduz a impedância térmica canal-para-caso no XPQR3004PB para 50% da de seu antecessor, economizando energia.

A Toshiba também lançou MOSFETs de potência de 40 V em um pequeno pacote TOGL chamado S-TOGL, que também oferecem alta densidade de corrente enquanto distribuem energia com segurança para sistemas críticos de segurança em carros. Sob o capô é um ambiente hostil para chips, então a confiabilidade das junções de solda na montagem superficial é vital. Os FETs usam terminais “asa-de-gaivota” que reduzem o estresse de montagem, melhorando a confiabilidade da junção de solda.

Os primeiros MOSFETs de potência baseados no pacote S-TOGL medem 7,0 × 8,44 × 2,3 mm e apresentam as mesmas características do pacote L-TOGL maior. Os novos chips podem entregar uma classificação VDSS de 40 V.

O XPJR6604PB é classificado para uma corrente de dreno contínua (ID) de 200 A, enquanto o XPJ1R004PB é classificado para 160 A. Eles são classificados para corrente pulsada (IDP) em 3X esses valores em 600 e 480 A, respectivamente. A classificação de 200 A é maior do que o possível com MOSFETs baseados no pacote DPAK+ de 6,5 × 9,5 mm da Toshiba. Projetados para lidar com temperaturas severas (Tch) de até 175°C, eles são qualificados pela AEC-Q101.

MOSFET de Potência de 600 V Adiciona Diodo de Recuperação Rápida no Corpo

As necessidades das fontes de alimentação comutadas (SMPS) e inversores de média a alta potência de hoje se resumem em maior eficiência, densidade, menor custo do sistema e robustez. Os MOSFETs superjunction (SJ) de alta tensão são a solução dominante para topologias DC-DC e DC-AC, como único, entrelaçado, dual-boost e CrCM TP para correção de fator de potência (PFC), ponte completa com deslocamento de fase (PSFB) e multi-nível NPC e ANPC.

A Magnachip Semiconductor revelou uma nova família de MOSFETs de potência SJ de 600 V, usando um design proprietário que proporciona uma redução de cerca de 10% na resistência de ligação (RSP), mantendo as mesmas células dos MOSFETs de gerações anteriores. A resistência de ligação (RDS(on)) varia de menos de 50 mΩ até 1 Ω em pacotes TO247, DPAK e outros amplamente utilizados no mundo da eletrônica de potência.

A nova família de MOSFETs vem equipada com um diodo de corpo robusto de recuperação rápida. Integrar o diodo diretamente ajuda a aumentar a eficiência do sistema com um tempo rápido de recuperação reversa (tRR) e menores perdas de comutação. Como resultado, o FET pode ser amplamente utilizado em fontes de alimentação industriais, que são essenciais em inversores solares e sistemas de armazenamento de energia, onde topologias bidirecionais são preferidas, e em UPS em data centers.

Os diodos de recuperação rápida (FRDs) têm um curto tRR, dando-lhes vantagem sobre os diodos retificadores padrão em termos de velocidade de comutação e perda de comutação. Como resultado, eles são ideais para retificação de alta velocidade. Esses dispositivos podem suportar alta tensão sob condições anormais do sistema, como curto-circuito ou transientes de inicialização (dv/dt). Integrar o FRD diretamente no FET é uma economia de custo e espaço.

MOSFET de Alta Tensão Espaça Pinos para Isolamento de Fonte de Alimentação

Para aumentar a confiabilidade e segurança das fontes de alimentação de entrada ampla, a Littelfuse lançou seu mais recente MOSFET de potência de modo de depleção N-channel de 800 V, que é bem adequado para os mercados industrial, de energia, telecomunicações e iluminação LED.

A isolação galvânica é inestimável em tudo, desde acionamentos de motor de grau industrial até inversores de tração EV, onde é necessário impedir que altas tensões perigosas entrem em partes do sistema que não podem suportá-las. A isolação também é útil para conectar seções de uma fonte de alimentação que têm potenciais de terra diferentes ou para interromper loops de terra, impedindo o fluxo de corrente entre seções que compartilham um terra.

Único no novo MOSFET de potência é a sua embalagem. Comparado com um pacote SOT-223 padrão, o CPC3981Z usa um pacote SOT-223-2L que apresenta um pino do meio removido. Isso estende o espaçamento do pino dreno-gate de quase 1,4 mm para mais de 4 mm. A maior distância de rastreamento é uma vantagem em cenários de maior tensão, como fontes de alimentação de modo comutado (SMPS) ou circuitos de inicialização de correção de fator de potência (PFC), porque você pode manter a isolação galvânica sem a necessidade de revestimento conformal ou encapsulamento.

O aumento da distância entre os pinos no MOSFET de modo de depleção de 100 mA, 45 Ω, aumenta a robustez do circuito, disse a Littelfuse. Pontos de bônus: permite layouts de placa de circuito impresso (PCB) mais compactos.

MOSFET de 12 V Traz Embalagem Mais Durável para Carregamento Rápido

A embalagem avançada desempenha um papel central no sucesso ou fracasso de qualquer semicondutor de potência.

A Alpha and Omega Semiconductor (AOS) lançou seu mais recente MOSFET de canal duplo de 12 V em um pacote CSP “moldado rígido” de alta durabilidade para MOSFETs bidirecionais usados na gestão de baterias de íon de lítio (Li-ion).

Diferentemente da embalagem padrão em nível de chip de wafer (WLCSP), onde o die serve como embalagem e usa um substrato espesso para durabilidade, a nova embalagem é significativamente mais fina. Ela reduz a resistência parasita e entrega uma resistência de ligação ultra-baixa com proteção contra descarga eletrostática (ESD) para lidar com correntes de carregamento mais altas. Especificamente, o AOCR33105E pode ser usado no coração de um interruptor de proteção ou circuitos de carregamento e descarregamento de bateria móvel para proteger pacotes de bateria de condições anormais como curtos-circuitos.

Quando os FETs de potência são conectados em uma configuração de fonte comum ou dreno comum, o substrato espesso em um pacote WLCSP padrão é um grande contribuidor para a resistência total. Usar uma embalagem mais fina limita a resistência total, mas também reduz drasticamente a durabilidade. A falta de estabilidade mecânica aumenta o risco de deformação ou quebra do silício quando está sendo anexado à placa de circuito.

Com uma tensão de fonte (VSS) de 12 V e tensão gate-to-source (VGS) de 8 V, o FET de potência N-channel cabe em uma área de 2,08 × 1,45 mm e reduz a resistência fonte-a-fonte (RSS) para menos de 3 mΩ a 4,5 V.

MOSFET de 650 V Adequado para Sistemas de Potência Acima de 2 kW

Alta eficiência e densidade de potência são as métricas que importam para as primeiras etapas de qualquer arquitetura de sistema de potência: a correção de fator de potência (PFC) e os subsequentes blocos conversores DC-DC. Para maximizar ambas as métricas em tudo, desde UPS e outras fontes de alimentação de data centers até inversores solares, a Vishay Intertechnology lançou seu mais recente MOSFET de potência de 650 V da série E. O SiHP054N65E também é útil em iluminação, equipamentos industriais pesados, acionamentos de motores, aquecimento por indução e carregadores de bateria para veículos elétricos.

Comparado com sua geração anterior, o MOSFET N-channel reduz a resistência de ligação em 48%, resultando em uma classificação de potência mais alta para sistemas com mais de 2 kW. Isso torna possível para o dispositivo atender aos mais recentes padrões Open Rack do Open Compute Project. Para uma comutação mais rápida em topologias de comutação rígida, o FET mantém capacitâncias efetivas de saída—nomeadamente Co(er) e Co(tr)—ao mínimo. O dispositivo está alojado em um pacote TO-220AB, dando-lhe a robustez para suportar transientes de alta tensão (dv/dt).

A outra melhoria é a sua redução de 59% na resistência × carga do gate, uma figura de mérito (FOM) para MOSFETs de alta tensão em conversores DC-DC, que se traduz em melhores perdas de condução e comutação.

Segundo a Vishay, o FET de potência de 650 V pode ser usado para atingir o benchmark “Titanium” de eficiência em fontes de alimentação de servidores (96% de eficiência a 50% de carga) ou alcançar 96% de eficiência de pico em fontes de alimentação de telecomunicações.

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