Dispositivos de referencia por ofrecer las resistencias drenador-fuente más bajas y velocidades de conmutación elevadas
Una opción ideal para aplicaciones que exigen la máxima eficiencia energética en control de motores, energías renovables, fuentes de alimentación y otras.

Introducción
La creciente demanda de eficiencia en electrónica de potencia exige la búsqueda continua de las mejores soluciones posibles. Aplicaciones como fuentes de alimentación, control de motores, energías renovables y técnicas de iluminación son ejemplos típicos en mercados que experimentan un fuerte crecimiento y que exigen semiconductores de potencia que maximicen la viabilidad económica. Esto implica la más alta eficiencia en funcionamiento estático así como con una frecuencia de conmutación cada vez más elevada. Estructuras convencionales del semiconductor como la construcción planar de un MOSFET de potencia se encuentran a menudo en sus límites desde un punto de vista físico. De ahí que Renesas haya desarrollado una línea completamente nueva de MOSFET de potencia con la llamada estructura de Superunión. Se cubren así los requisitos exigidos en funcionamiento estático y dinámico. Los parámetros típicos de las propiedades estáticas y dinámicas son la RDSON (resistencia drenador-fuente en estado de conducción) y la QGD (carga puerta-drenador), respectivamente.

Fundamentos sobre pérdidas de potencia, ecuaciones y parámetros
En un MOSFET de potencia, la denominada RDSON influye mucho sobre las pérdidas.
Pérdidas de potencia de un MOSFET de potencia en modo estático

Durante la conmutación, se deben sumar las pérdidas en la estructura del diodo para calcular las pérdidas totales. Se aplican esta ecuación y su aproximación:

intercambiando los símbolos   “u, U” por “v, V”:

Pérdidas en la estructura del diodo
La potencia en la etapa del controlador se puede considerar una pérdida. La carga de puerta QG influye mucho sobre estas pérdidas. El cálculo se realiza de esta manera:

cambiar por

Por tanto, tanto RDSON como QG influyen sobre las pérdidas. El término “factor de mérito” FOM combina ambos parámetros mediante una multiplicación. Se trata de una forma sencilla de valorar la eficiencia.

Para la carga puerta-drenador también se usa el símbolo “QGD”.

1.    Pton: turn-on, Switching losses, Switching on process.
        Pton=1/6x ž1xV1xtw1xf, = 1/6x7.8Ax84Vx0.5usx48.8kHz,=2.66W.
2.    Pon, Statics loss.
        Pon=ž22xRDS(on)(max)xaxtw2xf,=4A2x0,16Wx2.0x11.5usx48.8kHz,=2.87W
3.    Ptoff: turn-off, Switching losses, Switching off process.
        Ptoff=1/6x ž2xV2xtw3xf, = 1/6x4.0Ax54Vx0.3usx48.8kHz,=0.53W.
4.    Ptotal, Total power losses.
        Ptotal=Pton+Pon+Ptoff,=2.66W+2.60W+0.53W,=5.8W.

Renesas ha desarrollado una línea totalmente nueva de productos MOSFET de potencia de superunión (SJ-PMOSFET). Su rango de tensiones de 600V/650V, junto con un rango de corrientes de 6,1A a 55A, cubren la mayoría de aplicaciones de consumo y en la industria. Los reducidos valores de RDSON y QG obtenidos dan como resultado un FOM que proporciona una base ideal para el diseño de un circuito eficiente desde un punto de vista energético. Para el rango de pérdidas estáticas, esta línea de productos ofrece diversas ventajas respecto a las estructuras de los MOSFET de potencia convencionales. A frecuencias más altas (> 50 kHz), los SJ-PMOSFET son notablemente superiores incluso a los IGBT por lo que se refiere a sus pérdidas de potencia totales.

Ejemplos de encapsulados estándar
Los SJ-PMOSFET se construyen generalmente sobre un sustrato N+. La estructura está compuesta por múltiples columnas que forman capas de material con dopaje P en un material con un bajo dopaje N. Un proceso de crecimiento epitaxial multietapa construye las columnas capa a capa, incrementando así el grosor total de la capa implantada hasta que se logra la tolerancia de tensión necesaria. Esta versión del proceso se muestra a continuación en la figura 1 (centro). No obstante, el inconveniente de este proceso de producción es el proceso de crecimiento epitaxial relativamente bajo de capas de columnas para formar columnas y su complejidad por las múltiples repeticiones de los pasos.

Renesas ha desarrollado un nuevo método propio para construir estructuras de superunión que evitan los inconvenientes citados. Renesas aplica la técnica de zanja profunda (deep-trench), un proceso de producción que exige el grabado de zanjas en el material de tipo N de bajo dopaje para formar regiones de material de tipo P. La figura 1 (dcha.) ilustra la estructura de zanja profunda. Gracias a un proceso de producción fiable, una alineación de la máscara de alta precisión y el dopaje, junto con la miniaturización de columnas de material de tipo P, permiten obtener valores muy bajos de RDSON  así como una capacidad interna extremadamente baja, que a su vez conllevan unos valores bajos de QG (QGD). Esto da como resultado los mejores valores del FOM.
La figura 2 muestra la sección transversal de una estructura de zanja profunda.

Un miembro de la familia es el dispositivo RJK60S5DPK, cuyos valores máximos absolutos son de 600V, 20A; logra unos excelentes resultados por lo que respecta a las pérdidas estáticas y las propiedades de conmutación. La resistencia específica por unidad de superficie es alrededor de un 52 por ciento más baja que en las estructuras convencionales. Los valores excepcionalmente bajos de la carga puerta-drenador QGD, alrededor de un 80 por ciento inferiores a las estructuras convencionales, permiten una rápida conmutación con un bajo nivel de pérdidas. Las ventajas para el usuario, se si comparan con las estructuras convencionales, es la baja generación de calor en el dispositivo, que permite obtener diseños de circuitos compactos, el uso de encapsulados de tamaño más reducido y unos disipadores favorables.

Una versión derivada de este dispositivo incorpora un diodo de recuperación rápida que, gracias a su mayor velocidad de conmutación, reduce aún más las pérdidas de potencia durante la conmutación, y consigue reducir así la generación de calor (figura 4).
Durante los próximos años, la familia SJ-PMOSFET se verá ampliada continuamente con otros rangos de corriente y versiones para tensiones más elevadas. Además, Renesas ofrecerá versiones características optimizadas para determinadas áreas de aplicación.

Ejemplo de aplicación: fuente de alimentación
La fuente de alimentación se puede citar como demostración de la creciente demanda de eficiencia para una aplicación.
El ejemplo muestra la topología del circuito (figura 5) de una fuente de alimentación con rectificación síncrona. La topología contiene un control de corrección del factor de potencia (Power Factor Correction, PFC) y un medio puente, ambos equipados con SJ-PMOSFET de “zanja profunda” en el lado primario. El lado secundario incorpora MOSFET de potencia de media tensión con tolerancias de tensión de 60V. Además de componentes discretos, Renesas suministra también otros componentes fundamentales como el CI PFC y los CI para rectificación síncrona, optoacopladores para señales de control con aislamiento galvánico y un microcontrolador para los controles del conjunto.

Los SJ-PMOSFET implementados realizan una contribución decisiva para aumentar la eficiencia.
El diagrama de la figura 6 muestra el incremento de la eficiencia obtenido gracias al SJ-PMOSFET de “zanja profunda” aquí presentado y se compara con un producto de la competencia con una estructura SJ epitaxial.

Soporte en línea para selección de productos
Mediante la reestructuración y la mejora de su soporte para búsqueda de referencias cruzadas y búsquedas paramétricas, Renesas ha simplificado notablemente el proceso de selección de productos. El soporte añadido para aplicaciones, que va más allá del puro soporte para selección del dispositivo, ofrece un gran valor añadido al usuario.

Se puede acceder al soporte para selección de productos presentado a continuación a través de un sitio web centralizado: http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp

El claro diseño gráfico de un diagrama de flujo (Figura 7) ayuda a seleccionar el producto. Partiendo de una aplicación prevista y de una topología de circuito a desarrollar, al pulsar sobre el campo apropiado se active la función deseada, como la búsqueda de referencia cruzada, la búsqueda paramétrica o la descripción general del producto.

El enlace de Internet para referencia cruzada: http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch ayuda a encontrar el dispositivo equivalente más similar de Renesas para un dispositivo determinado de la competencia; se ofrecen varias opciones siempre que resulte apropiado. Los parámetros más importantes se ofrecen directamente y se puede descargar al instante la hoja de datos completa.

La referencia cruzada no solo está disponible para la nueva serie de productos SJ-PMOSFET sino para toda la oferta de productos.

Para muchos productos, especialmente para los SJ-PMOSFET, se pueden descargar también los parámetros SPICE de manera que se pueda similar el comportamiento básico del dispositivo incluso antes de que estén disponibles las muestras.

Otra herramienta para selección de productos es la herramienta de búsqueda paramétrica, a la cual se puede acceder a través de este sitio web:

http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion=

Aquí la búsqueda de los productos deseados se puede refinar mediante la introducción o selección de parámetros pulsando el ratón o moviendo el cursor. A continuación se muestra la lista de productos correspondiente.

Otra aportación muy práctica de esta herramienta es la posibilidad de exportar la lista de propuestas a una hoja de Excel para procesarla.
Otra herramienta para la selección de productos utiliza, en lugar de las características del producto, la aplicación a desarrollar y su propia topología como punto de partida. Este planteamiento muy práctico permite que el desarrollador tenga una visión general acerca de los dispositivos propuestos para las topologías del circuito a desarrollar.

Soporte de simulación en línea
Además de la posibilidad de analizar la idoneidad básica del SJ-PMOSFET en el circuito con la ayuda de los parámetros SPICE en nuestro propio ordenador, Renesas ofrece asimismo un entorno completo de simulación denominado “Powere SIM” en su página web.

Esta herramienta se ofrece de forma gratuita para el usuario. Por ejemplo, tomando como punto de partida la topología y los componentes del circuito seleccionado, se pueden simular las formas de onda de señal, la respuesta de frecuencia, el comportamiento térmico, la eficiencia y otros. Este entorno de simulación incorpora mejoras continuamente y ofrece una plataforma ideal para que el usuario acelere notablemente el proceso de desarrollo con un mínimo esfuerzo.

Resumen
Con su nueva serie de MOSFET de potencia de superunión (SJ-PMOSFET) basada en una tecnología propia de zanja profunda, Renesas ha establecido una nueva referencia entre los semiconductores de potencia de alta eficiencia. Esto permite lograr un notable aumento de la eficiencia en la aplicación. El proceso de producción es totalmente propio, lo cual garantiza alta calidad del producto de manera uniforme.
Para los usuarios, Renesas suministra todo un conjunto de herramientas funcionales para selección de productos en línea y se puede acceder a todas ellas de forma centralizada a través del sitio web. La selección del producto en función de la topología prevista del circuito es una novedad para que el proceso de selección sea aún más efectiva. Los productos seleccionados de esta forma se pueden similar directamente en los circuitos mediante la herramienta en línea gratuita Powere SIM “, que acelera el proceso de desarrollo.
¡Se han simplificado la identificación y la implementación del producto!

Autor:

Por: Steffen Hering, A&P Product Management,
Renesas Electronics Europe

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