为什么电力电子系统中使用低压MOSFET?

时间:2025-02-19
  低压技术

  与N通道MOSFET相比,P通道MOSFET代表相对较小的份额,低压的主流技术是沟槽门。这项技术的开发是为了克服早期平面结构的局限性,以提供较低的抵抗力和较低的损失。这些MOSFET通过插入沟槽区域的栅极结构彻底蚀刻的栅极结构实现,这可以使抗性改善,这要归功于低于200 V的电压范围内的通道电阻和JFET电阻。图1显示了A内部的主要电阻组件垂直平面MOSFET,抗性是不同贡献的总和。

  Infineon在Source-Down(SD)软件包中展示了Optimos Power MOSFET系列。该公司的低压产品组合在新的,行业标准的足迹中提供了前所未有的高功率密度。该家庭旨在符合脱碳和数字化的不断要求的要求。为了应对这些趋势,Infineon专注于三个增长领域:绿色能源,清洁安全的移动性和智能安全互联网。至关重要的是由控制器,驱动程序IC和电源开关组成的电力系统的竞争力,这些领域不仅需要广泛的技术组合,还需要软件和算法技能。
  两个产品家族组成了Infineon的低压范围:通用的strongirfet,覆盖从20 V到300 V的电压,用于价格敏感的和大众市场,以及Optimos,以的“抗抗性”满足高性能要求×栅极电荷的优点和功率密度的图,没有竞争力折衷。后一个家族根据特定产品迭代或发电的不同,将15 V( Optimos 7 )至300 V之间的电压解决。
  在需要大修硅技术和包装的关键应用中,数据中心和AI,由生成性聊天机器人,自动驾驶,车辆到车辆通信等驱动。通过查看到2030年的惊人数据量增加,可以看到这种演变,估计为30%的复合年增长率。例如,在2010年至2025年之间,数据(生成,运输和存储)预计将增加146倍,达到180个Zettabytes,或180×10 21字节。如果要将此类数据存储在蓝光圆盘上,则相当于覆盖地球和月球之间距离的23倍的堆栈。
  如果化石燃料满足能源需求,则估算数据中心功耗将增加以处理相应的数据流量上升,这是衡量环境影响的另一种方法。根据国际能源局的说法,2022年,数据中心消耗的电能(大约250个TWH)比西班牙等国家。以目前的速度,数据中心将占2030年总需求的4%。
  可以通过结合新的功率半导体技术(包括SIC和GAN),创新包装(多-DIE嵌入,模块,集成磁力),新颖的系统架构以及智能控制和软件来实现急剧提高的效率。
  其他优势包括PCB空间和损失的化,以及具有中心位置的门(不仅是角落位置)的可能性,以便于更轻松地平行多个开关,这要归功于耗水到源的蠕变距离 - 所有这些要求都是这样的要求对空间约束的应用至关重要。可以在5×6毫米PQFN软件包中的连接温度对流图基准SD和DD中量化改进,我们可以观察到:
  对于给定的连接温度,SD的电流比DD高11%,或对于相同的电流,新住房的病例温度比DD低30%。
  PCB布局的进一步优化
  可以将两个包装选项组合成半桥拓扑,从而对PCB设计进行了严重的优化。在这样的配置中,高侧晶体管(T1)以DD打包,而低侧伴侣(T2)则在SD版本中。好处如下:
  T1启用了大型铜(CU)区域以及VIN连接的热VIA,而T2为GND端子提供了同样大的CU区域和热vias,使设计人员能够显着优化热管理。
  相比之下,较小的相位区域诱导层之间的电容耦合较少,从而转化为更好的EMI响应。
  ,SD相对于DD(0.75毫米对0.59毫米)的较大蠕变距离允许正确的栅极路由,因为可以将MOSFET旁边的栅极放在MOSFET的另一侧旁边,而无需使用其他层。
  PQFN DSC SD
  大而厚的Cu夹可以暴露于热垫并实现DSC。该功能是针对5×6毫米和3.3×3.3毫米版本的。与仅使用底面冷却和散热器的过头软件包相比,DSC软件包可以提供4×更多的耗散。这也允许更高的电流流过开关。
  服务器应用程序中的示例
  在服务器应用程序中,功率流从网格开始,提供了220 VAC,该VAC通过离线PSU转换为48 VDC; DC/DC转换由两个阶段组成,将电压降至12 V,并从12 V到1 V,或GPU或高性能处理单元所需的任何内容。为了进行比较,使用了具有8:1转换比(IBC 8:1)的中间总线转换器。图3显示了晶体管Q1,Q2,Q4和Q5在两个测试中保持相同的电路拓扑,而Q3和Q6在一种情况下以DD为单位,另一种情况则为SD。该图还显示了与效率和损失曲线所用的设备。总而言之,SD在450-W输出功率下运行9°C比DD凉爽。还可以说,与其“竞争对手”套餐相比,SD可以在相同的温度下提高6%的功率。

  IBC 8:1中的DD和SD性能比较。

  图3:IBC 8:1中的DD和SD性能比较(来源:Infineon Technologies)
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