Cosa manca nella scheda tecnica dei MOSFET di potenza, 1ª parte: la dipendenza dalla temperatura

Di John Wallace –Applications Engineer at Texas Instruments

Altri componenti trattati nel post: CSD17576Q5B, CSD19532Q5B

Le schede tecniche dei transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) di potenza forniscono informazioni utili come specifiche chiave, valori nominali e caratteristiche che aiutano a capire se il dispositivo funzionerà come previsto. Tuttavia, potrebbero esserci dubbi sulle variazioni di un parametro: pertanto, questo articolo punta a spiegare non soltanto cosa si trova in una scheda tecnica, ma soprattutto cosa manca.

Una recensione di una scheda tecnica MOSFET

Prendiamo come esempio la scheda tecnica del NexFET™ CSD17576Q5B di TI. La prima pagina, mostrata in Figura 1, riassume le funzionalità del dispositivo ed è suddivisa nelle sezioni caratteristiche, applicazioni e descrizione, compresa una raffigurazione schematica del package FET.

La prima pagina include anche il riepilogo del prodotto, le informazioni per l’ordine e le tabelle dei valori nominali massimi assoluti. La tabella di riepilogo del prodotto costituisce un’istantanea dei parametri tipici in modo da poter scegliere il FET giusto per la propria applicazione. Le informazioni per l’ordinazione si spiegano da sole. La tabella dei valori nominali massimi assoluti elenca i limiti per un funzionamento sicuro, al di fuori dei quali il MOSFET potrebbe subire danni permanenti. Se non indicato diversamente, le specifiche e i valori nominali in queste tabelle sono tutti a temperatura ambiente, T_A = 25°C. Inoltre, nella prima pagina si trovano anche grafici delle prestazioni tipiche di R_DS(on) rispetto a V_GS (a temperature della custodia di T_C = 25°C e 125°C) e la carica del gate.

Figura 1: Prima pagina della scheda tecnica del NexFET™ CSD17576Q5B

La seconda pagina della scheda tecnica contiene il sommario e lo storico delle revisioni. Quindi vi sono le tabelle delle specifiche, le caratteristiche elettriche e le informazioni termiche, seguite da grafici che mostrano le caratteristiche tipiche del MOSFET. Successivamente si trova una sezione relativa al supporto per dispositivi e documentazione. La scheda tecnica comprende le informazioni meccaniche, di imballaggio e ordinabili nella sezione finale. Se non indicato diversamente, tutte le specifiche e i valori nominali in queste tabelle sono a temperatura ambiente, T_A = 25°C.

Dipendenza dalla temperatura

Alcune delle specifiche del FET nella tabella dei valori nominali massimi assoluti dipendono dalla temperatura, compresa la tensione da drain a source (V_DS), la corrente di drain continua (I_D), la corrente di drain pulsata (I_DM) e la dissipazione di potenza (P_D). I valori nominali massimi V_GS garantiscono che non vi sia rottura dell’ossido del gate durante il funzionamento e sono indipendenti dalla temperatura. L’energia della valanga (E_AS) viene testata a temperature della custodia di T_C = 25°C e T_C = 125°C, con un grafico corrispondente nel grafico delle caratteristiche tipiche del MOSFET che mostra una riduzione di E_AS a temperature elevate.

Caratteristiche statiche

La tabella delle caratteristiche elettriche è suddivisa in caratteristiche statiche, dinamiche e dei diodi, come mostrato nella Figura 2. Diamo un’occhiata ai parametri dei FET dipendenti dalla temperatura nella sezione delle caratteristiche statiche: la variazione di temperatura della tensione di rottura da drain a source (BV_DSSla ), corrente di dispersione da drain a source (I_DSS), la corrente di dispersione da gate a source (I_GSS) e la transconduttanza (g_fs) non sono incluse nei grafici delle schede tecniche. Il tipico grafico delle caratteristiche del MOSFET contiene la tensione di soglia, (V_GS(th)) e a resistenza attiva (R_DS(on)) rispetto alla temperatura. La tensione di soglia ha un coefficiente di temperatura negativo e la resistenza di accensione ha un coefficiente di temperatura positivo.

Figura 2: Tabella delle caratteristiche elettriche nella scheda tecnica del NexFET™ CSD17576Q5B

La Figura 3 è la variazione di temperatura di BV_DSS per due MOSFET di potenza: il FET CSD17576Q5B trench a 30 V e il dispositivo super junction CSD19532Q5B da 100 V; le curve in Figura 3 mostrano la dipendenza dalla temperatura per BV_DSS così come I_DSS e I_GS. All’aumentare della temperatura, la tensione di rottura per entrambi aumenta in modo quasi lineare. La pendenza della linea è il coefficiente di temperatura positivo di BV_DSS e differirà in base alla tecnologia di processo e alla tensione nominale del FET. Si noti che il coefficiente di temperatura positivo è inferiore per CSD19532Q5B che per CSD17576Q5B.

Figura 3: BVDSS normalizzato rispetto alla temperatura: CSD17576Q5B (a); CSD19532Q5B (b)

La Figura 4 mostra la dipendenza dalla temperatura di I_DSS per CSD17576Q5B e CSD19532Q5B. Il FET con tensione minore, il CSD17576Q5B, mostra una maggiore variazione nell’intervallo di temperatura tra -55°C e 150°C. Per entrambi i dispositivi, i grafici tendono ad appiattirsi alle basse temperature. Non si tratta di un comportamento reale, ma di una limitazione del sistema di misurazione del test alle correnti molto basse che vengono misurate. La fisica del dispositivo comporta una continua tendenza al ribasso alle basse temperature.

Figura 4: IDSS normalizzato rispetto alla temperatura: CSD17576Q5B (a); CSD19532Q5B (b)

Come mostrato nella Figura 5 per CD17576Q5B e CSD19532Q5B, anche I_GSS ha una variazione di temperatura positiva. L’aumento relativo di I_GSS è maggiore per CSD19532Q5B nell’intervallo di temperatura fra -55°C e 150°C. Anche in questo caso, l’appiattimento delle curve alle basse temperature è causato dalla risoluzione del sistema di misura del test.

Figura 5: IGSS normalizzato rispetto alla temperatura: CSD17576Q5B (a); CSD19532Q5B (b)

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Anche l’ultimo parametro, g_fs, è dipendente dalla temperatura. È possibile utilizzare le curve di trasferimento dalle schede tecniche di CSD17576Q5B e CSD19532Q5B come mostrato nella Figura 6 per stimare g_fs usando l’Equazione 1:

g_fs = ΔI_DS/ΔV_GS                    (1)

Figura 6: Caratteristiche di trasferimento: CSD17576Q5B (a); CSD19532Q5B (b)

Prendendo i punti dati dalle curve della scheda tecnica, la Tabella 1 elenca i valori stimati per g_fs. È possibile notare come la transconduttanza abbia un coefficiente di temperatura negativo.

Tabella 1: Valori di gfs stimati per CSD17576Q5B

È possibile fare le stesse stime di g_fs utilizzando le caratteristiche di trasferimento per CSD19532Q5B, come elencato nella Tabella 2.

Tabella 2: Valori di gfs stimati per CSD19532Q5B

Caratteristiche dinamiche

I parametri nella sezione delle caratteristiche dinamiche sono un’indicazione della velocità di commutazione del MOSFET. Questi includono le capacità parassite (C_ISS, C_OSS e C_RSS), la resistenza interna del gate in serie (R_G) e i parametri di carica (Q_G, Q_GD, Q_GS e Q_OSS). Questi parametri, insieme al circuito esterno di azionamento del gate, determinano i tempi di commutazione tipici (t_d(on), t_r, t_d(off) e t_f). Vi è una minima variazione di temperatura delle capacità parassite e dei parametri di carica. R_G varia con la temperatura, ma in genere viene compensata da una resistenza di gate esterna e dall’impedenza di uscita del driver del gate, con conseguente lieve deviazione dei tempi di commutazione specificati nella scheda tecnica. La Figura 7 mostra un MOSFET con le capacità parassite e la resistenza interna del gate in serie.

Figura 7: Modello MOSFET con elementi parassiti

Caratteristiche del diodo

L’ultima sezione della tabella delle caratteristiche elettriche riporta le specifiche del body diode da drain a source. La tensione diretta del diodo (V_SD) presenta una caratteristica di temperatura negativa, come mostrato nelle caratteristiche tipiche dei MOSFET. La carica di recupero inverso (Q_rr) e il tempo di recupero inverso (t_rr) aumentano entrambi a temperature elevate. Per questo motivo, anche le perdite di recupero inverso aumentano a temperature elevate.

La Figura 8 mostra il comportamento di recupero inverso con la temperatura per due FET non TI. Q_rr è l’area racchiusa dalla corrente di drain e t_rr è il tempo impiegato dalla corrente per tornare a zero. È lecito attendersi un comportamento simile dai dispositivi NexFET di TI in caso di sovratemperatura.

Figura 8: Corrente di recupero inverso rispetto alla temperatura per due FET

Area operativa sicura

Gli ingegneri spesso mi chiedono come provvedere al derating della temperatura in base alle curve di area operativa sicura (SOA) in una scheda tecnica MOSFET. La Figura 9 mostra le curve SOA a T_A = 25°C per CSD17576Q5B e CSD19532Q5B.

Figura 9: Area operativa sicura massima a TA = 25°C: CSD17576Q5B (a); e CSD19532Q5B (b)

L’approccio più semplice consiste nell’utilizzare un fattore di derating lineare. Partendo dal grafico, determinare la corrente SOA, I_DS(SOA), alla tensione, V_DS(SOA) e l’ampiezza dell’impulso di interesse. L’Equazione 2 calcola la corrente SOA alla temperatura T (°C) come:

I_DS(SOA@T) = I_DS(SOA) × (T_Jmax – T)/(T_Jmax – 25°C)                             (2)

L’Equazione 2 genera 0 corrente quando T = T_Jmax, come specificato nella scheda tecnica.

Conclusione

In questo articolo tecnico è stata esaminata una scheda tecnica di un NexFET di TI, con ciò che contiene e ciò che manca. Sono state analizzate le specifiche che presentano dipendenza dalla temperatura non incluse nella scheda tecnica e sono stati forniti curve e dati tipici che mostrano come queste specifiche possono variare con la temperatura. Gli esempi utilizzati in questo articolo riguardavano due specifici dispositivi NexFET di TI e mostravano le tendenze generali rispetto alla temperatura.

Le curve tipiche presentate in questo articolo servono da aiuto per capire come questi parametri variano con la temperatura, ma non sono garanzia delle prestazioni effettive. È opportuno utilizzare sempre i limiti della scheda tecnica quando si progetta con FET di TI. Se in una scheda tecnica mancano alcune specifiche, è possibile richiederle a TI sul Forum E2E.

Risorse supplementari

Articoli tecnici:

«Capire le schede tecniche dei MOSFET, 1ª parte – Valori nominali UIS/valanga».

«Capire le schede tecniche dei MOSFET, 5ª parte – Parametri di commutazione».

Visitate il Centro di supporto e formazione per MOSFET di TI.

Leggete il white paper «Nuovo package di potenza con prestazioni termiche migliorate».

Consultate il rapporto applicativo «I progressi del packaging 3D a vantaggio di prestazioni, potenza e densità nei dispositivi di alimentazione».

Bibliografia

Jahdi, Saeed, Olayiwola Alatise, Roozbeh Bonyadi, Petros Alexakis, Craig Fisher, Jose A. Ortiz Gonzalez, Li Ran e Philip Mawby «An Analysis of the Switching Performance and Robustness of Power MOSFETs Body Diodes: A Technology Evaluation». IEEE Transactions on Power Electronics 30, n. 5 (maggio 2015): pagg. 2383-2394.

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