Дорогу молодым! – новые семейства силовых транзисторов от IR

Транзистор является самым массовым электронным компонентом после резисторов и конденсаторов. Масштабы рынка MOSFET впечатляют, и многие компании не прочь откусить от этого пирога как можно большую часть. Это требует от компаний-лидеров постоянного развития технологий производства кристаллов MOSFET и их корпусирования, чтобы расширять области применения MOSFET и продолжать удерживать лидирующие позиции на рынке.

Основными направлениями развития MOSFET являются уменьшение сопротивления открытого канала Rds(on); снижение емкости и заряда затвора Qg для высокочастотных применений, например, в импульсных источниках питания (ИИП); а также улучшение таких малозаметных на первый взгляд параметров, как тепловое сопротивление, паразитная индуктивность, емкость выводов и т.д.

Все указанные характеристики достигаются как путем совершенствования технологии производства кристаллов, так и разработкой новых типов корпусов для транзисторов, т.к. корпус вносит значительный вклад в окончательные значения сопротивления канала, паразитных емкостей и теплового сопротивления транзистора.

Современные кремниевые технологии MOSFET от IR

Многочисленные области применения MOSFET требуют обеспечения оптимальности транзистора с точки зрения различных характеристик. Так как многие характеристики транзисторов антагонистично взаимосвязаны, это требует разработки различных методов производства кристаллов и их корпусирования для достижения оптимального значения требуемого параметра. Компания International Rectifier является разработчиком нескольких технологий производства кремниевых кристаллов (рисунок 1).

Рис. 1. Эволюция кремниевых технологий IR для производства MOSFET

В данной статье мы не будем рассматривать давно всем известные технологии, появившиеся до поколения Gen 12.5x. Предметом нашего разговора станут те семейства и технологии, которые появились относительно недавно и сейчас стремительно выходят на мировой рынок. Это, возможно уже известное читателю, семейство StrongIRFET (Gen 12.7) - семейство транзисторов с минимальным сопротивлением канала и выдающимися токовыми характеристиками. Это и новое семейство 300 В транзисторов, также обладающих малым сопротивлением, являющимся самым низким для приборов подобного класса. Помимо упомянутых, мы рассмотрим новинки, представленные семейством транзисторов в корпусах DirectFET, обладающих минимальным добавочным сопротивлением, отличными характеристиками по теплоотводу и паразитной индуктивности. Все эти решения уже доступны на рынке электронных компонентов и успели снискать себе поклонников в инженерной среде.

Дальнейшее развитие технологий будет направлено на получение транзисторов со сбалансированными характеристиками проводимости и переключения, оптимизированных по так называемой FOM (Figure of Merit), представляющей собою оптимальное значение произведения сопротивления транзистора на заряд затвора (Rds(on)*Qgate). Данные решения будут представлены в виде двух семейств N-канальных транзисторов на среднее (60...200 В) и низкое (20...30 В) напряжение.

Кроме того, технологии поколения Gen 12.7 вскоре позволят выйти на рынок 60 В и 75 В семейству StrongIRFET, а также семейству быстродействующих транзисторов FastIRFET, у которых будет сведен к минимуму заряд затворного слоя Qg и которые изначально будут доступны в варианте на напряжение 100 В.

Технологии корпусирования MOSFET

Конечные рабочие характеристики транзистора складываются из характеристик кристалла и значений паразитных параметров, вносимых корпусом. Кроме того, именно конструкция корпуса определяет максимальный ток, который транзистор может обеспечить без разрушения, возникающего вследствие теплового пробоя.

Весь спектр корпусов, в которых компания IR выпускает свои транзисторы, представлен на рисунке 2. Помимо широко известных корпусов, применяемых также и другими производителями, International Rectifier применяет ряд корпусов собственной разработки, обладающих исключительными характеристиками и позволяющих максимально раскрыть возможности кристаллов транзисторов.

Рис. 2. Варианты корпусирования транзисторов IR

Такими корпусами являются DirectFET и аналог корпуса TO-262 с расширенными выводами (TO-262WL), позволяющими в значительной мере увеличить рабочий ток транзистора. На рисунке 3 проводится сравнение габаритных характеристик транзисторов в корпусе D2-PAK и DirectFET, обеспечивающих одинаковый рабочий ток. Легко видеть, что применение корпуса DirectFET позволяет значительно уменьшить массогабаритные характеристики конечного устройства.

Рис. 3. Габариты корпуса DirectFET в сравнении с другими SMD-корпусами: по площади (а),
по высоте (б)

Благодаря широким выводам максимальный ток, который можно «снять» с транзистора в корпусе TO-262WL, достигает 240 А. Особенности же этих корпусов подробно описаны в статье [1].

Новые линейки силовых MOSFET

Познакомившись в общих чертах с технологиями производства и корпусирования транзисторов IR, перейдем к подробному рассмотрению новых семейств.

Семейство StrongIRFET

Одним из наиболее интересных семейств, преимущества которого уже успели оценить многие разработчики, является семейство транзисторов StrongIRFET, выполненных по кремниевой технологии Gen 12.7 . При разработке и производстве этого семейства основной упор был сделан на уменьшении сопротивления канала и обеспечении максимально возможного тока транзистора. Как видно из таблицы 1, максимальное значение сопротивления транзистора в стандартном корпусе TO-220 может составлять 1,3 мОм. Применение же специализированных корпусов, обладающих малым добавочным сопротивлением, например, семивыводного корпуса D2-Pak, позволяет уменьшить значение этого параметра до 1 мОм (максимальное значение). В настоящее время семейство представлено транзисторами с максимальным напряжением 40 В.

Основными областями применения данного семейства являются 12 и 24 В системы управления двигателями постоянного тока, а также системы коммутации и защиты аккумуляторных батарей. Соответствие транзисторов индустриальному стандарту позволяет с успехом применять их для построения промышленного ручного и автоматического инструмента, а также электрокаров и электропогрузчиков.

В планах компании - расширить семейство 60 и 75 В линейками. Некоторые представители 75 В линейки уже проходят окончательное тестирование и ближе к концу лета 2013 года должны появиться в виде инженерных образцов. Как показывают предварительные оценки, сопротивление данных транзисторов не будет превышать единиц мОм.

Семейство силовых транзисторов IRFP4x68 в корпусе TO-247

Еще одним новым семейством транзисторов, которые могут похвастаться низким сопротивлением, является IRF4x68, кристаллы которого выполнены по технологии Gen 10.7 и упакованы в мощный корпус TO-247. Семейство охватывает широкий диапазон рабочих напряжений транзистора - от 75 до 300 В - и обеспечивает рабочие токи до 195 А. Удобная система наименований (Part Numbering System) позволяет легко ориентироваться среди представителей семейства - вторая цифра в наименовании строго указывает на рабочее напряжение транзистора. Состав семейства приведен в таблице 2.

Именно корпус TO-247, обладая отличными характеристиками по отводу тепла, и позволяет обеспечить столь высокий рабочий ток. Однако для того, чтобы в полной мере раскрыть эти преимущества, необходимо приложить некоторые дополнительные усилия. Так, теплоотвод от поверхности транзистора (а значит и кристалла) будет лучше, если при креплении корпуса на радиатор пользоваться специальными термопастами и осуществлять крепление при помощи специальных клипс. Подробно эти аспекты применения данных транзисторов рассматриваются в статье [2].

Новые 300 В транзисторы с наименьшим сопротивлением в отрасли

Для построения выходных каскадов высокоэффективных преобразователей питания компания IR выпустила серию 300 В транзисторов, обладающих наименьшим в отрасли сопротивлением открытого канала (таблица 3). Данное семейство немногочисленно и состоит из трех представителей - все это мощные транзисторы в корпусах, предназначенных для сквозного монтажа на печатную плату: TO-220 и TO-247.

Помимо отличных характеристик проводимости, данные транзисторы обладают также выдающимися характеристиками для высокочастотных применений. Семейство в скором времени расширится за счет появления нового транзистора IRFPS4888PBF, который будет поставляться в наиболее мощном выводном корпусе Super-247 (другое название TO-274) и будет обладать сопротивлением не более 14,5 мОм. Ток транзистора будет достигать 110 А в рабочем режиме. Инженерные образцы должны появиться в октябре-ноябре 2013 года.

Транзисторные новинки в корпусах DirectFET

Как было отмечено выше, полные значения параметров транзистора складываются из параметров самого кристалла и корпуса. Свой вклад в сопротивление открытого транзистора вносят выводы корпуса и проводники, которыми осуществляется распайка кристалла на выводы. Описанная ситуация представлена на рисунке 4. В части (а) рисунка приводятся различные методы распайки кристалла на выводы: с применением медных проводников, на базе медной клипсы и в корпусе DirectFET. В правой части (б) данного рисунка показано реальное увеличение сопротивления транзистора для каждого из этих методов. Если принять добавочное сопротивление при распайке проводниками за 100%, то доля добавочного сопротивления корпуса DirectFET составит только 12%, а следовательно, при использовании одного и того же кристалла результирующее сопротивление во втором случае будет значительно меньше.

Рис. 4. Методы внутренней распайки кристалла (а) и добавочное сопротивление транзистора (б)

Вторым аспектом, определяющим выгодные характеристики транзисторов в корпусе DirectFET, является его низкое температурное сопротивление. Дело в том, что верхняя крышка корпуса транзистора является его стоком, что позволяет отводить тепло непосредственно с кристалла. Контакт других областей кристалла с выводами также осуществляется напрямую. Это позволяет добиться сверхнизких коэффициентов температурного сопротивления: теплоотвод на поверхность печатной платы осуществляется с коэффициентом 1°С/Вт, а на верхнюю крышку - лишь с немного большим, 1,4°С/Вт. Все это позволяет отводить тепло от кристалла настолько эффективно, что корпуса размером 7х9 мм обеспечивают ток до 195 А без применения внешнего радиатора (естественно, печатная плата должна быть спроектирована с соответствующими контактными площадками для осуществления теплоотвода).

Для сравнения, на рисунке 5б приведены соответствующие коэффициенты теплоотвода для стандартных SMD-корпусов.

Рис. 5. Тепловое сопротивление корпуса DirectFET: пути отвода тепла (а) их температурное сопротивление (б)

В таблицах 4 и 5 приводятся характеристики новых транзисторов в корпусах DirectFET, появившихся в последнее время и представляющих, по нашему мнению, наибольший интерес для разработчиков. Среди корпусов среднего размера (5х6 мм) лидером является транзистор IRF8301, обладающий сопротивлением 1,7 мОм и способный обеспечить ток более 190 А. Некоторые транзисторы снабжены встроенным быстродействующим диодом Шоттки, позволяющим во многих применениях обойтись без дополнительно внешнего компонента, что уменьшает габариты конечного изделия и удешевляет его.

Корпуса размером 7х9 мм (таблица 5) вообще могут обладать сопротивлением менее 1 мОм и способны обеспечить ток до 270 А (при соответствующем теплоотводе).

Логические транзисторы в миниатюрных корпусах

Транзисторы с логическим управлением в миниатюрных корпусах, типа SOT-23, TSOP-6 и подобных, никогда не позиционировались в качестве силовых ключей, и их токовые характеристики не были камнем преткновения для производителей. Это связано с малыми габаритами корпусов, неспособных рассеять большую мощность. Однако массовость применения подобных транзисторов в любых электронных устройствах делает достойным внимания суммарные потери мощности в них. Значительное уменьшение сопротивления открытого канала логических транзисторов позволило увеличить их токовые характеристики и повысить общий КПД устройства. В сочетании с миниатюрными размерами корпусов, эти достижения позволили логическим транзисторам плотно обосноваться на рынке маломощных бюджетных портативных приборов.

Транзисторы с логическим управлением могут открываться под воздействием минимальных входных напряжений (от 1,8 В в некоторых реализациях), но наиболее распространенными являются семейства, управляемые напряжением 2,5 и 4,5 В. В таблицах 6 и 7 приводятся наименования и основные характеристики современных логических транзисторов компании IR. Низкое сопротивление позволяет «снимать» с транзистора в корпусе размером 2х2 мм ток до 10 А (при напряжении на затворе 10 В). А в случае применения проприетарного корпуса DirectFET - до 22 А, что вполне сопоставимо с токами маломощных силовых ключей.

Таблица 6. Миниатюрные логические транзисторы, оптимальные для управления 10 В  

Низкое напряжение открытия (многие из представленных транзисторов могут управляться напряжением от 1,8 В), и высокий коммутируемый ток делают логические транзисторы IR оптимальным решением для маломощных устройств с батарейным питанием.

Заключение

Применение различных современных технологий производства кремниевых пластин в сочетании с оригинальной технологией их корпусирования позволяет транзисторам MOSFET компании IR занимать одно из лидирующих мест на мировом рынке силовых компонентов. Транзисторы IR находят применение в любых электронных устройствах, позволяя добиться высоких выходных токов системы и обеспечить ей отличные характеристики по КПД. Транзисторы новых семейств StrongIRFET и DirectFET обладают минимальным сопротивлением открытого канала (менее 1 мОм) и позволяют разрабатывать компактные силовые приборы за счет небольших размеров элементов и возможности отводить от них тепло без применения громоздких радиаторов. Все это позволяет сократить сроки разработки конечного изделия и добиться существенного снижения его себестоимости.

Литература

1. Соломатин Максим. Новые MOSFET компании IR: широкие выводы, увеличенный ток//Новости Электроники, 2011, №10, 5-10 сс.

2. Автушенко К., Голубцов М. Семейство MOSFET с ультранизким Rds(on) в корпусе TO-247 компании International Rectifier//Компоненты и Технологии, 2013, №4, 132-134 сс.

3. Материалы семинаров «International Rectifier Seminars - June 2013».

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]