Cet article aborde les enjeux que les ingénieurs doivent considérer lors de la conception de dispositifs de puissance basés sur les technologies Super Junction.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
La technologie “Super Junction” domine le marché des MOSFET de puissance lorsque la tension de claquage dépasse 600 V grâce à sa figure de mérite supérieure. Les ingénieurs doivent prendre en compte certains aspects lors de la conception de dispositifs de puissance basés sur la Super Junction pour améliorer l’efficacité, la densité de puissance et la fiabilité dans les applications d’alimentation électrique.
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Considérations d’ingénierie
Comme le montre la Figure 1, l’une des premières considérations est que les colonnes P s’étendent de la région de base pour créer un “équilibre des charges” dans la zone de dérive pour une concentration de dopage plus élevée, c’est-à-dire une résistance plus faible dans la région correspondante. La zone de jonction étendue entraîne un inconvénient de charge de récupération inverse excessive.
Figure 1. Jonctions P-N dans les MOSFETs Super Junction. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 2 montre une configuration demi-pont typique où le courant passe en roue libre à travers la diode interne du MOSFET côté haut pendant le temps mort avant que le MOSFET côté bas ne s’allume. La récupération inverse de la diode du corps se produit lorsque le MOSFET côté bas commence à s’allumer. Le MOSFET côté bas voit un pic de courant négatif dû à la charge de récupération inverse du MOSFET côté haut. Cela entraîne une perte d’allumage excessive dans le MOSFET côté bas. En même temps, le MOSFET côté haut voit une augmentation rapide de la tension et un pic de tension pendant la période Tb, ce qui peut causer une contrainte excessive sur le dispositif.
Figure 2. Récupération inverse de la diode interne dans un circuit demi-pont. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
En fin de compte, comme le montre un exemple à la Figure 3, une défaillance de dispositif Super Junction de 600 V est causée par la récupération de la diode interne lorsqu’elle dépasse les limites de fonctionnement sûr du dispositif en termes de courant de direct et de taux de montée du courant.
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Figure 3. Illustration d’une défaillance de dispositif causée par la récupération inverse de la diode interne. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Un problème à prendre en compte est que la récupération inverse de la diode interne dans les dispositifs de puissance basés sur la Super Junction a profondément influencé la sélection des dispositifs de puissance haute tension pour les conceptions d’alimentations électriques. La Figure 4 montre un circuit typique dans une alimentation électrique AC/DC. Lors de l’étape de correction du facteur de puissance, une diode Schottky en SiC est utilisée comme dispositif côté haut au lieu d’un MOSFET synchrone, car la perte de commutation causée par la récupération inverse d’un redresseur synchrone est trop élevée avec la fréquence de commutation cible (généralement au-dessus de 50 kHz).
Dans l’étape DC-DC, le circuit LLC à commutation douce est utilisé où la commutation rigide des dispositifs haute tension ne se produit pas en mode de fonctionnement normal. La commutation rigide du dispositif entraîne la récupération inverse de la diode interne ; ainsi, il ne sera pas affecté dans ce cas. Cependant, la commutation rigide peut se produire dans le circuit LLC lors de conditions de fonctionnement anormales comme les transitoires de démarrage et de court-circuit. Des protections contre de tels transitoires sont normalement requises dans la conception du contrôleur du circuit LLC. Le manque de prévention de la commutation rigide dans le circuit LLC pourrait entraîner une défaillance des dispositifs haute tension en raison de la récupération inverse très rapide de la diode interne.
Il existe des circonstances où la récupération inverse de la diode interne des dispositifs haute tension ne peut être évitée. Par exemple, la protection cycle par cycle contre la commutation rigide n’est pas disponible dans les convertisseurs LLC haute puissance avec des contrôleurs numériques. Dans les applications de commande de moteur haute tension, des dispositifs actifs (MOSFET/IGBT) sont nécessaires pour les interrupteurs côté haut et côté bas. Une amélioration des performances de la diode interne en termes de charge de récupération inverse et de fiabilité est une exigence clé pour les dispositifs de puissance haute tension dans ces applications.
Figure 4. Structure typique du circuit d’alimentation AC/DC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Technologie de diode à récupération rapide αMOS5
La plateforme MOSFET à diode de récupération rapide αMOS5 (FRD) développée par Alpha and Omega Semiconductor (AOS) est spécifiquement optimisée pour une faible charge de récupération inverse et une robustesse de commutation. Une irradiation électronique est appliquée dans cette technologie pour contrôler la durée de vie des porteurs bipolaires pendant la phase de récupération inverse. Cela crée des défauts servant de centres de recombinaison et accélère le processus de recombinaison des paires électron/trou de la FRD pendant la polarisation directe et la phase de récupération inverse, réduisant ainsi considérablement le nombre total de charges excessives stockées dans la région de dérive de la FRD.
En comparant les formes d’onde Qrr des mêmes structures Super Junction, mais avec un contrôle de durée de vie des porteurs différent, la partie traitée par ER montre une réduction significative de la valeur Qrr. La suppression de Qrr signifie qu’un plus faible niveau de pic de puissance affluera à travers la FRD, supprimant ainsi le risque de défaillance thermique.
Il est important de noter que la région de transition active/terminaison du MOSFET est la plus vulnérable à une défaillance de récupération inverse car elle passe une densité de courant élevée avec sa taille de zone limitée. Un avantage clé de la plateforme αMOS5 est qu’elle emploie une conception de terminaison conservatrice pour répartir uniformément le champ électrique dans la région de transition. Cette optimisation empêche les points chauds localisés de brûler en raison d’une densité de puissance excessive pendant la phase tb de récupération inverse.
Figure 5. Forme d’onde de récupération inverse contrôlée par ER. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Résultats des tests
La condition de fonctionnement sûr concernant la récupération inverse de la diode interne est validée avec les tests MOSFET FRD αMOS5 d’AOS. Le résultat du test est fourni dans la fiche technique du dispositif. La Figure 6 montre la forme d’onde du test du MOSFET AOK042A60FD 600 V 42 mΩ αMOS5 SJ d’AOS et de deux concurrents ayant des spécifications similaires de BVdss et Rdson. Le test a été réalisé avec un courant direct de 50 A et un taux de montée de 1000 A/us à trois températures différentes. Comme le montre le Tableau 1, le AOK042A60FD a réussi le test à 200°C, tandis que les concurrents ont échoué même à des températures plus basses.
Il est intéressant de noter que le AOK042A60FD montre le taux de montée de tension de drain le plus bas dans la forme d’onde de la période Tb. Cela aide le dispositif à survivre au transitoire de récupération inverse sévère et à améliorer ses performances EMI. Le résultat du test montre que le dispositif αMOS5 FRD SJ d’AOS offre une robustesse très efficace de la diode interne dans le transitoire de récupération inverse, ce qui est crucial dans les applications de type pont telles que les convertisseurs LLC pour assurer la fiabilité maximale du système en conditions anormales et transitoires.
Tableau 1. Résultat du test de robustesse de la récupération inverse de la diode interne pour le AOK042A60FD
| DUT | IF (A) | di/dt (A/us) | dv/dt (ns) | ||||
| 50 | 1000 | 25°C | 150°C | 200°C | |||
| AOK042A60FD | 104 (réussi) | 46 (réussi) | 38 (réussi) | ||||
| Concurrent 1 | 160 (réussi) | 92 (réussi) | 74 (échoué) | ||||
| Concurrent 2 | 134 (réussi) | 122 (échoué) | |||||
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Figure 6. Test de récupération inverse de la diode interne effectué sur deux produits concurrents et le MOSFET AOK042A60FD αMOS5 FRD (VDD = 400 V, IF = 50 A, di/dt = 1000 A/us). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cet article est initialement paru dans Bodo’s Power Systems [PDF] magazine et est coécrit par Ziwei Yu, responsable des applications; Jorge Ramos, ingénieur en applications senior; Wendi Wang, ingénieur principal; et Richard Zhang, directeur senior des MOSFETs chez Alpha and Omega Semiconductor.