在高功率需求世界中平衡能源效率和易用性

日期:2017-09-19

高功率和低功耗应用的通用解决方案
 
作者:Stefan Gamerith博士,产品营销资深专家,TamaraKrappinger,产品营销经理/理学硕士
 
我们被电动设备包围。我们口袋中的手机、我们工作中使用的笔记本电脑,我们客厅的电视、供电网络的服务器,甚至我们车库的电动汽车都需要电力来操作,推动电源效率更高、较小,而且比以前更便宜。这需要提高功率密度和最高效率,以负担得起的成本推动设计师寻找新的和创新的解决方案,易于在广泛的低和高功率应用中实现,同时满足快速增长和非常苛刻的设计要求。
致力于解决电源系统设计人员面临的挑战的一个问题是效率。更高的效率意味着产生更少的废热,从而降低了冷却的要求,使尺寸减少,同时节约能源成本。发展密集高效的电力系统的起点是合适的拓扑结构选择。拓扑结构中的核心功率元件的性能通常是最终性能的关键因素。对于元件制造商,这意味着专注于提高元件的关键优值(FoM)和提高效率。此外,其他因素会起作用,包括大小、密度和成本。通孔封装如流行的TO-220、TO-247封装的电源开关仍然在广泛使用。然而,半导体和封装技术的进步使电源类越来越多地使用表面贴装器件(SMD)。特别是用现代SMD元件使历史上阻断SMD技术使用的热管理挑战越来越少。这也有助于减少空间、生产复杂度和成本。

最后,考虑到越来越多的电源设计,一个针对广泛市场的成功的电源开关的主要特点之一是其易于设计(易用性)。一个元件必须在不同的应用环境中工作,在各种条件下表现出良好的效率,要求尽量减少不必要的设计难度,如尖峰电压或电磁干扰(EMI),并呈现出扎实的稳定性。


概念

1999年,英飞凌推出了CoolMOS™,一种MOSFET漏极结构设计理论,打破硅极限线。这种新的超结(SJ)晶体管设计有两个关键特征;主电流路径(n区)比传统高压MOSFET有更重掺杂,而p列是精确尺寸和掺杂平衡区。
重掺杂的n区降低了通态电阻,但具有低得多的阻断电压能力的副作用。p列弥补和平衡电流路径,支持高阻断电压的零净电荷的空间电荷区。



图1:常规高压平面MOSFET和SJ MOSFET


这种创新结构的SJ MOSFET允许减少特定区域的电阻,这反过来又提供传导损耗的好处。CoolMOS™技术的第一代芯片面积的急剧减少和降低了电容和动态损耗。
 

600 V CoolMOS P7设计效率

自1999年以来,CoolMOS™ 技术已经经过几代的积累,英飞凌公司最新产品是600 V CoolMOS™ P7。这个最新超结MOSFET的改进的最新举措是基于600 V CoolMOS™ C7平台,适用于CoolMOS™P6系列的继承者。瞄准最高效率/高性能,CoolMOS™ C7设计定位是终极开关性能,而没有任何妥协,所有目标应用包括PFC和高压DC-DC级,如LLC。相比之下,600V CoolMOS™ P7平衡了快速开关性能与易用性(如低振铃)要求,实现了快速和容易的设计,甚至即插即用。它提供了一个很好的组合功能,使其成为一个适合从低功耗消费设备到PC电源等广泛高功率应用的完美选择,如数据中心、电信和EV充电器。
600V CoolMOS™ P7以有竞争力的价格提供了效率和易用性之间的优化平衡。栅极电荷Qg和Eoss较先前的 CoolMOS™系列降低了30-60%,最大程度地减少了驱动和开关损耗。这些特点,结合典型RDS(on)使之比先前的系列整个负载范围优化了效率增益。600V CoolMOS™ P7比市场上同类器件效率提高了1.5%,MOSFET温度降低4.2°C。


图2:CoolMOS™ P7和竞争对手器件的效率
在硬换向事件期间,600 V CoolMOS™ P7的体二极管LLC电路可保护器件。该组合提供了一个很宽的RDS(on) 从37 mΩ至600 mΩ范围,涵盖了各种表面安装(SMD)和通孔封装。所有器件具有优异的超过2 kV(HBM)的ESD鲁棒性,其产品RDS(on)值高于100 mΩ,高ESD水平由集成的齐纳二极管提供。考虑到所有这些特点,高效率、功率密度和最小设计难度和最具竞争力的价格,使P7成为了适合开关模式电源设计广泛应用挑战的下一代完美解决方案。
 

总结

600V CoolMOS™ P7的关键特性使它非常适合于广泛的产品设计,从低功率开关电源到最高功率级别。P7提供了易于使用和快速的低振铃趋势支持设计,可以应用于PFC和PWM级。卓越的效率FoM,特别是低开关损耗和传导损耗(-50% Eoss、-30% Qg,-20%关断损耗)保证了最高的效率,有助于管理电源解决方案的热负载。
600 VCoolMOS™ P7独特的易用性是仔细选择和集成栅极电阻的结果       。此外,600VCoolMOS™ P7拥有一个优异的体二极管耐用性,使其完美适用于硬和软开关应用(LLC)。整个产品组合出色的2 kV(HBM)ESD的鲁棒性支持最高组装产量。


图3:CoolMOS™ P7满足最关键的设计挑战
600 V CoolMOS™ P7采用九个不同封装RDS(on)从37mΩ至600mΩ。它被设计为一个通用器件,用一个产品系列解决了广泛的应用。该产品组合包含合格的工业级以及合格标准等级的器件。这允许设计师根据特定应用选择完美的器件,最大程度地减少成本。对于高功率密度解决方案600 V CoolMOS™ P7还提供了最佳RDS(on)和封装组合。600 V CoolMOS™ P7组合通过ThinPAK 8x8封装的65mΩ器件和TO220(FP)封装的60mΩ器件完成,是高功率应用的理想选择。对于低功耗电源,采用SOT223的600 V CoolMOS™ P7可以实现更小的应用占用空间和有成本竞争力的解决方案,在消费市场取代实际的DPAK解决方案。
总之,600 V CoolMOS™ P7结合了英飞凌最佳CoolMOS™ 技术十八年的超级结MOSFET创新,为今天的市场带来性能、易用性和价格之间的最佳平衡。
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