英飞凌新颖设计理念的主要特点、优点和应用示例

 

作者：Francesca Pastorelli，功率分立产品管理高级专家，以及Simone Mazzer，高级应用工程师，Infineon Technologies

 

高开关频率应用游戏规则改变者
 

高效率、功率密度和更好的热性能是电源管理的主要趋势。英飞凌一直致力于引进高度创新的功率MOSFET技术，以满足所有应用的要求。

 

最近，英飞凌推出了OptiMOS™ 6 100 V功率MOSFET技术，以及OptiMOS™ 3和OptiMOS™ 5，包括工业功率MOSFET组合。此外，当易用性和广泛可用性是关键要求时，StrongIRFET™ 功率MOSFET系列补充了该产品组合（图1）。

 

图1：英飞凌StrongIRFET™ 和OptiMOS™ 功率MOSFET 20-300 V技术

 

OptiMOS™ 6 100 V 100 V功率MOSFET技术采用了一种新颖的单元设计，利用了全三维电荷补偿原理，显著改善了导通电阻。新的单元结构还具有完全重新设计的栅沟，显著降低了栅漏电荷Qgd和总栅电荷Qg。

金属栅技术的引入通过精确控制局部Rg至其标称值，实现了整个片芯区域的最终开关均匀性。金属栅技术还证明了一种有效的本征势垒，可以防止MOSFET的dv/dt诱导的寄生再导通。由于其电阻率低于多晶硅，因此可以在单元之间实现最均匀的栅电位分布。

 

与公认的OptiMOS™ 5技术，英飞凌领先的薄型晶圆技术实现了显著的性能优势（图2）：

• RDS(on) （开启）降低18%

• 将品质因数（FOM）Qg×RDS(on)提高约30%

• FOM Qgd×RDS(on) 提高了42%

• 宽的安全操作区域（SOA）

由于重大改进，OptiMOS™ 6技术实现了更低的传导和开关损耗，更快的开启和关闭，以及无铅和符合RoHS标准的产品。

 

图2：OptiMOS™ 6 100 V功率MOSFET技术的主要功能和优点

 

这项新技术在所有FOM中都表现出了良好的平衡改进，从而为高频开关电源（SMPS）操作以及太阳能系统带来了显著的优势，在太阳能系统中，损耗与电荷（开关）和导通电阻（传导）相关。

 

同类更佳（BiC）RDS(on)还支持OptiMOS™ 6 100 V用于电池供电应用（BPA）中的低压电机驱动，如无人机、电动自行车和电动工具，以及电池管理系统（BMS）中的断路开关（图3）。

 

图3：OptiMOS™ 6 100 V目标应用

 

OptiMOS™ 6与OptiMOS™ 5：技术比较

通态电阻

RDS(on) 是MOSFET的关键参数之一，表示漏极和源极端子之间测量的导通电阻。降低RDS(on)值可降低传导损耗，减少甚至消除对并联器件的需求。实际上，这节省了成本和PCB面积，并提高了功率密度。

OptiMOS™ 6与同类产品（ISC022N10NM6）相比，在SuperSO8封装中100 V技术实现的RDS(on)比OptiMOS™ 5（BSC027N10NS5）降低约20%。OptiMOS™ 6对特定导通电阻的改善允许将相同的RDS(on)用更小的封装（PQFN 3.3x3.3）实现，从而提高功率密度。
 

栅极电荷

栅极电荷是需要提供给栅极以开启（驱动）MOSFET的电荷量。Qg值越小，表示驱动损耗越低，开关速度越高。创新的栅沟设计显著降低了栅源比电容和栅漏比电容，从而使Qg降低35%，Qgd提高45%。这反映在栅品质因数、FOMg和FOMgd中——通常简称为FOM。该FOM表示此类技术的综合性能指标，通常表示为mΩ×nC。与上一代OptiMOS™ 5 100 V MOSFET相比，新技术分别提高了30%和43%（见图4）。

 

图4：OptiMOS™ 6与OptiMOS™ 5栅电荷特性

 

安全操作区（SOA）

SOA是由MOSFET外壳温度稳定保持在Tc = 25°C时应承受的电压和电流的绝对最大值定义的图表。MOSFET不得暴露在安全操作区域以外的条件下，即使是瞬间。

当引入一个新的技术节点时，SOA的范围将会缩小。在功率有限的区域，电流能力取决于新技术通常会增加的瞬态热阻抗。尽管如此，与OptiMOS™ 5相比，由于技术的改进，新的OptiMOS™ 6 100V在热稳定性有限的区域仍然显示出更广泛的SOA。在DC区，OptiMOS™ 6显示在所有区域更广泛的SOA，这得益于较低的RthJC（见图5）

 

图5：OptiMOS™ 6与OptiMOS™ 5安全操作区比较

 

OptiMOS™ 6如何技术将您的解决方案提升到新的水平

根据市场和趋势，不同的应用有不同的要求。OptiMOS™ 6 100 V技术可以将您的设计提升到效率和功率密度的新水平，电信、太阳能和电动工具应用的测量结果表明了这一点。表1总结了主要趋势以及OptiMOS™ 6可以为这些应用的设计带来的优势。

 

表1：应用趋势和OptiMOS™ 6解决方案将您的设计提升到新的水平

 

实际示例中的应用好处
 

电信基础设施

第一个应用是分布式电源开放标准联盟（DOSA）四分之一砖结构中的电信DC-DC中间总线转换器（IBC）。该转换器基于全桥拓扑结构，采用全桥整流。作为一种硬开关拓扑，传导损耗和开关损耗都会影响整个系统的效率。

最适合此应用的器件是将尽可能低的RDS(on)与低电荷需求相结合的器件，对于典型的600 W转换器可以在接近6 mΩ范围的器件中找到。新的OptiMOS™ 6 100 V ISC060N10NM6，RDS(on),max，封装在SuperSO8中，在此应用中与上一代OptiMOS™ 5 MOSFET BSC050N10NS5进行了比较。

结果（图6）显示了新的OptiMOS™ 6与BSC050N10NS5（5 mΩ）相比，效率提高0.4%，温度降低了，即使在被测设备上显示的RDS(on)也高出18%。其优点是系统可靠性更高，系统成本更低。

 

图6：ISC060N10NM6和BSC050N10NS5在600 W 48-12V FB/FB CDL¼砖上的效率和温度比较

 

太阳能系统

开关损耗占太阳能优化器总损耗的很大一部分。因此，需要在RDS(on)和成本之间保持良好的平衡。功率优化器（同步降压级）的配件产品是SuperSO8封装的100 V功率MOSFET，RDS(on)约为5-6 mΩ。

对OptiMOS™ 5（BSC050N10NS5，RDS(on) = 5 mΩ）和OptiMOS™ 6（ISC060N10NM6，RDS(on) = 6 mΩ）进行了比较（图7）。由于开关损耗较低，OptiMOS™ 6（ISC060N10NM6）与OptiMOS相比效率更高，大约高出18%。此外，由于关断开关损耗较低，与OptiMOS™ 5相比，新产品在满载时的温度降低了约6°C。

 

图7：OptiMOS™ 5和OptiMOS™ 6之间降压升压型DC/DC转换器太阳系系比较

 

电动工具

热性能和功率密度是电机控制应用的关键挑战。具有低RDS(on)的一流产品有助于实现电动工具的高效率。

比较OptiMOS™ 5（BSC027N10NS5）和OptiMOS™ 6（ISC022N10NM6）表明，在高扭矩条件下，OptiMOS™ 6实现了约0.5%的效率提高，从而使系统中的功率损耗降低了12%（图8）。这使得改进的热设计具有更长的寿命。

 

图8：OptiMOS™ 5 和OptiMOS™ 6之间的电动工具比较

 

OptiMOS™ 6 100 V：有助于绿色环境的节能解决方案
 

成本并不是变革的唯一驱动力。自2015年《减缓气候变化巴黎协议》签署以来，电信业已被证明是引领碳中和趋势的私营部门之一，它逐步致力于科学目标（SBT），将全球供热限制在前工业化水平以上1.5°C。

新的英飞凌OptiMOS™ 6 100 V支持提高效率的趋势，帮助电信行业的客户将排放量降至净零，使生活更加绿色。使用OptiMOS™ 6功率MOSFET技术，有可能在10年内将能耗降低100万欧元（基于标称线路电压下的电信IBC，考虑到欧洲国家大约有8000万人口）。运营一年节省的电量相当于约170户家庭的年用电量。

结论
 

OptiMOS™ 6将行业标准提升到了一个新的水平：更低的传导损耗和更高的功率密度，在满足当代要求的应用中提供最更高的性能。

 

这项新技术包括SuperSO8和PQFN 3.3x3.3封装，涵盖了从同类产品到性价比更优的产品。

 

要了解更多信息，请访问OptiMOS™ 6网页。请扫描二维码。

 

 

此外，您可以在我们的OptiMOS™ 6 100 V技术见解页面获得应用和测试结果。请扫描二维码。