Los MOSFET de compuerta de trinchera de nueva generación de Toshiba aumentan la eficiencia y la densidad de potencia.

Las especificaciones reales de rendimiento y hojas de datos no siempre coinciden al seleccionar un MOSFET para alimentar aplicaciones con mayor eficiencia, un diseño más compacto y características de conmutación fiables. Un MOSFET puede parecer cumplir con los cálculos de diseño, pero rendir por debajo una vez finalizado debido a factores como pérdidas de conmutación, comportamiento de recuperación de diodos y restricciones térmicas.

Elegir el MOSFET adecuado puede marcar la diferencia entre un producto que funciona frío y eficiente y uno que se sobrecalienta o desperdicia energía. Las métricas importantes que influyen en el éxito de las aplicaciones incluyen:

• La resistencia en estado encendido (R_DS(on)) se refiere a la resistencia que presenta el MOSFET cuando está completamente encendido. Un R_DS(on) más bajo significa menos energía desperdiciada en forma de calor, lo que afecta directamente a la eficiencia con la que un dispositivo puede conducir corriente.
• La carga total de la compuerta (Q_g) define cuánta carga eléctrica se requiere para encender y apagar el MOSFET. Un Q_g más bajo permite una conmutación más rápida y eficiente energéticamente, reduciendo la carga sobre el circuito de accionamiento de la compuerta.
• La carga de recuperación inversa (Q_rr) indica cuánta carga se libera cuando el diodo interno del MOSFET pasa de conductor a no conductor. Un Q_rr más bajo ayuda a suprimir picos de tensión durante conmutaciones a alta velocidad, lo que permite un funcionamiento más silencioso y fiable.
• La recuperación del diodo corporal determina la eficiencia con la que el diodo incorporado del MOSFET puede dejar de conducir y reiniciarse para el siguiente ciclo. Una recuperación rápida y limpia reduce el ruido eléctrico y el calor.

Los requisitos de eficiencia están aumentando a un ritmo que supera las capacidades de muchas etapas de potencia existentes. La mayor eficiencia y la mayor densidad de potencia en aplicaciones como fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), automatización industrial, infraestructuras de centros de datos y electrónica automotriz se están enfrentando con las limitaciones de las tecnologías MOSFET convencionales.

Ventajas de los MOSFET de compuerta de trinchera

Toshiba presenta la serie U-MOS11-H de MOSFET que abordan los retos de proporcionar un R_DS(on) significativamente menor, carga de compuerta minimizada y mejores características de recuperación de diodos con un diseño de compuerta de trinchera.

Durante décadas, los MOSFET se construyeron usando un diseño horizontal, y mejorar el rendimiento generalmente requería seleccionar un componente más grande. Los MOSFET de compuerta de trinchera utilizan una "trinchera" vertical en el silicio para formar el electrodo de compuerta, en lugar de una superficie plana. Con esta tecnología, la corriente fluye verticalmente a través del silicio en lugar de lateralmente a través de él. La puerta rodea el canal de forma más eficaz, reduciendo la cantidad de silicio necesaria para transportar corriente y reduciendo R_DS(on) para un tamaño dado de chip.

Los MOSFET de compuerta de trinchera reducen sustancialmente el Q_rr para suprimir grandes picos de tensión que pueden ocurrir durante conmutaciones a alta velocidad, lo que los hace ideales para fuentes de alimentación de alta eficiencia, convertidores CC-CC y etapas de potencia automotrices o industriales.

El nuevo U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ (Figura 1) es un MOSFET de canal N homologado para 100 V con una R_DS(on) ultrabaja de solo 2,7 mΩ (10 V_GS). Esto supone un R_DS(on) aproximadamente un 8% menor en comparación con la familia U-MOSX-H de generaciones anteriores, lo que resulta en menos calor y mayor eficiencia de conducción bajo cargas pesadas.

Figura 1: El TPH2R70AR5,LQ de Toshiba es un MOSFET de compuerta de trinchera de próxima generación con menor RDS(on), carga de compuerta minimizada y mejoras en las características de recuperación de diodos. (Fuente de la imagen: Toshiba)

El Q_rr de la nueva generación es aproximadamente un 38% inferior al de dispositivos de generaciones anteriores comparables, reduciendo picos de voltaje y EMI durante la conmutación. La carga total de la puerta disminuye aproximadamente un 37%, permitiendo una conmutación más rápida y limpia con menos energía extraída del controlador de compuerta.

Además, este MOSFET mejora otras métricas clave importantes para diseños energéticos eficientes. R_DS(on) × Q_g combina resistencia de encendido y carga de compuerta para mostrar el compromiso global entre pérdidas por conducción y conmutación. R_DS(on) ×_{Q rr} hace lo mismo con el diodo corporal del MOSFET, reflejando cuánto picos de tensión, calor y voltaje se producen durante la recuperación del diodo. En ambos aspectos, el U-MOS11-H mejora más de un 40% respecto a la generación anterior, proporcionando a los ingenieros más margen térmico y un funcionamiento más limpio sin aumentar la huella del encapsulado.

Permitir diseños más pequeños y ligeros

A medida que aumenta la demanda de convertidores CC/CC compactos y eficientes y SMPS en aplicaciones como servidores e infraestructura 5G, MOSFET como U-MOS-11-H son esenciales para permitir diseños más pequeños, ligeros y con alta densidad de energía. Menores pérdidas por conducción y conmutación mejoran la eficiencia energética, reducen los requisitos de refrigeración y pueden disminuir los costos totales del sistema y la complejidad del diseño.

El U-MOS-11H sirve como un bloque de construcción fiable y bien documentado para proyectos de energía estándar, ofreciendo facilidad de uso sin controladores de compuertas complicados ni requisitos especiales. Logra un equilibrio eficaz entre eficiencia, fiabilidad e implementación sencilla.

Para aplicaciones avanzadas, estos MOSFET de Toshiba actualizados ofrecen oportunidades para superar límites en densidad energética y eficiencia térmica, apoyando diseños como SMPS compactos, suministros de servidores o estaciones de trabajo de alta densidad, y sistemas eficientes alimentados por baterías o motores, todo ello dentro de un marco bien establecido de MOSFET de silicio.

Desde una perspectiva estratégica, U-MOS11-H combina las fortalezas probadas de la tecnología de fiable de silicio MOSFET con las últimas mejoras en eficiencia y conmutación para ofrecer a los ingenieros una solución de alto rendimiento, convirtiéndolo en una opción atractiva junto a las soluciones de etapa de potencia más avanzadas.

Conclusión

Aprovechando las ventajas maduras y rentables de los MOSFET de silicio, como la fiabilidad, la amplia disponibilidad y el rendimiento predecible, con las últimas mejoras de rendimiento, los MOSFETs U-MOS11-H de Toshiba permiten a los diseñadores crear electrónica de potencia más pequeña, eficiente y fiable para las exigentes aplicaciones actuales.