TK100E10N1

El TK100E10N1 de Toshiba es un MOSFET de potencia de canal N de 100 V que utiliza la tecnología de puerta en zanja U-MOS VIII-H de Toshiba para lograr una resistencia a la conexión extremadamente baja (2,8 mOhmios típica) en un encapsulado TO-220 estándar con orificio pasante. Está diseñado para aplicaciones de conmutación de alta corriente en convertidores CC-CC, accionamientos de motores y fuentes de alimentación en las que son fundamentales unas pérdidas de conducción bajas y una conmutación rápida.

La tecnología U-MOS VIII-H representa la 8ª generación de la plataforma MOSFET de compuerta en zanja de Toshiba, optimizada para aplicaciones de alto voltaje (60-150 V). La estructura trench-gate crea canales verticales en el silicio, lo que permite una densidad de canales mucho mayor que los MOSFET planares. Esto se traduce en una menor RDS(on) por unidad de área de la matriz, lo que permite alcanzar la especificación de RDS(on) máxima de 3,4 mOhmios a VGS=10V en una matriz que se ajusta a las limitaciones térmicas del encapsulado TO-220.

El valor nominal de 100 V hace que este MOSFET sea adecuado para sistemas de automoción de 48 V (batería de 12 V con un margen de 4x), fuentes de alimentación industriales de 24 V y 48 V, y sistemas de telecomunicaciones de -48 V. La RDS(on) de 2,8 mOhmios significa que a 50 A de corriente continua, la pérdida por conducción es de sólo 7 W (I2R = 502 x 0,0028), lo que es manejable con un disipador de calor modesto. A 100 A, la pérdida por conducción aumenta a 28 W, lo que requiere una solución térmica más importante.

La carga de puerta total de 140 nC es relativamente alta debido al gran tamaño de la matriz necesario para el bajo RDS(on). Esta carga de puerta determina la pérdida de conmutación y los requisitos de potencia del controlador de puerta. Para una frecuencia de conmutación de 100 kHz con un accionamiento de puerta de 10 V, la disipación de potencia del controlador de puerta es Qg x VGS x f = 140 nC x 10 V x 100 kHz = 0,14 W, lo cual es modesto. Sin embargo, las transiciones de conmutación (32ns de subida, 45ns de bajada) contribuyen a las pérdidas de conmutación que aumentan con la frecuencia, lo que hace que este MOSFET sea más adecuado para aplicaciones por debajo de 200-300 kHz.

La clasificación de energía de avalancha de 222 mJ (pulso único) y la corriente de avalancha de 100 A indican que el TK100E10N1 puede absorber con seguridad la energía del retroceso de la carga inductiva durante los eventos de conmutación sin bloqueo. Esto es importante en aplicaciones de accionamiento de motores y controladores de solenoides, donde la energía inductiva puede ser considerable.

El tiempo de recuperación inversa del diodo del cuerpo de 93 ns y la carga de recuperación inversa de 220 nC son valores moderados que afectan a la eficiencia en topologías de puente (medio puente, puente completo, buck síncrono) en las que el diodo del cuerpo conduce durante el intervalo de tiempo muerto. Para aplicaciones que requieran una recuperación más rápida del diodo, considere la posibilidad de utilizar MOSFET optimizados específicamente para rectificación síncrona o diodos Schottky externos en paralelo con el diodo.

El valor nominal de corriente del encapsulado de 100 A (frente al valor nominal de 207 A del silicio) refleja la limitación del marco del conductor TO-220 y los cables de enlace. Para aplicaciones que requieran más de 100 A de corriente continua, se recomienda un encapsulado TO-247 o D2PAK con un marco más pesado. El valor nominal de disipación de potencia de 255W a TC=25C requiere un disipador de calor infinito; el diseño térmico práctico debe tener en cuenta la resistencia térmica del disipador de calor y la temperatura ambiente.

El TK100E10N1 funciona como un MOSFET de potencia en modo de mejora de canal N que utiliza la tecnología U-MOS VIII-H trench-gate.

Tecnología U-MOS VIII-H Trench-Gate: La tecnología U-MOS VIII-H (8ª generación de alto voltaje) utiliza una estructura vertical de trinchera-puerta en la que los electrodos de puerta se forman en trincheras profundas grabadas en el silicio. La corriente fluye verticalmente desde el drenaje (parte posterior de la matriz) a través de la región de deriva, a través del canal de inversión en las paredes laterales de la zanja, hasta la fuente (parte superior de la matriz). Esta estructura vertical ofrece varias ventajas: (1) el canal se forma en las paredes laterales verticales de la zanja, lo que proporciona una alta densidad de canales y una baja resistencia de canal; (2) la corriente fluye verticalmente, eliminando la aglomeración lateral de corriente que se produce en los MOSFET planares; (3) el paso de celda puede hacerse muy pequeño, maximizando el número de celdas por unidad de superficie. El resultado es una RDS(on) extremadamente baja por unidad de superficie.

Región de deriva y tensión nominal: La tensión nominal de 100 V viene determinada por el grosor y el dopaje de la región de deriva de tipo N entre el cuerpo P y el sustrato N+. Cuando se aplica VDS (drenaje positivo), la unión P-N entre el cuerpo P y la región de deriva N tiene polarización inversa, y la región de agotamiento se extiende a la región de deriva. La región de deriva debe ser lo suficientemente gruesa y estar ligeramente dopada para soportar 100 V sin ruptura, pero esto aumenta la resistencia de la región de deriva, que es un componente importante de RDS(on). La tecnología U-MOS VIII-H optimiza el perfil de la región de deriva (incluyendo una estructura de carga acoplada o técnica de resurf) para minimizar la resistencia a la deriva y mantener al mismo tiempo la tensión de ruptura de 100V.

Funcionamiento de conmutación: Cuando se aplica a la puerta una tensión positiva superior a VGS(th) (2,0-4,0V), se forma una capa de inversión (canal tipo N) en la superficie del cuerpo P a lo largo de las paredes laterales de la zanja, conectando la fuente N+ con la región de drenaje N. La corriente fluye del drenaje a la fuente (dirección convencional). Cuando se elimina la tensión de puerta (VGS = 0V), la capa de inversión desaparece y la corriente se detiene. La velocidad de conmutación está limitada por el tiempo necesario para cargar y descargar la capacitancia de puerta (Ciss = 8.800 pF). El controlador de puerta debe suministrar la carga de puerta (Qg = 140 nC) durante el encendido y absorberla durante el apagado.

Funcionamiento de avalancha: Cuando se desconecta una carga inductiva, la tensión de drenaje puede elevarse por encima de la tensión de ruptura (BVdss) debido a la patada inductiva (V = L x dI/dt). En el modo de avalancha, el MOSFET conduce la corriente a través del transistor NPN parásito formado por la fuente N+, el cuerpo P y la región de desviación N. El TK100E10N1 ha sido sometido a la prueba de avalancha 100%, lo que significa que se ha verificado que cada dispositivo sobrevive a un evento de avalancha específico sin degradarse. La energía de avalancha de un solo impulso (EAS = 222 mJ) es la energía máxima que el dispositivo puede absorber en un solo evento sin sufrir daños.

Diodo de cuerpo: La unión del cuerpo P con la región de desviación N forma un diodo de cuerpo inherente con el ánodo en la fuente y el cátodo en el drenaje. Cuando VDS es negativo (fuente por encima del drenaje), el diodo de cuerpo se polariza hacia delante y conduce la corriente. En los convertidores buck síncronos y de medio puente, el diodo de cuerpo conduce durante el tiempo muerto cuando ambos MOSFET están apagados. La recuperación inversa del diodo de cuerpo (trr = 93 ns, Qrr = 220 nC) crea pérdidas de conmutación cuando el MOSFET opuesto se enciende y obliga al diodo de cuerpo a recuperarse.