Smps mosfet что это

Как разработчику заставить работать новые MOSFETs

MOSFET были разработаны более 40 лет назад и некоторые особенности этих устройств до сих пор не получили достойного внимания.

Приходилось ли вам наблюдать за переходом напряжения VDS в режим «ON», в то время как напряжение VGS находилось в состоянии «OFF»? Может быть, вы использовали MOSFET в линейном режиме и он не работал, несмотря на то, что находился в безопасной области работы (SOA)? Сталкивались ли с тем, что новые, более выгодные по цене приборы с похожими параметрами не работали, когда вы заменяли ими старые?

В этой статье хотелось бы углубиться в эти вопросы, исследуя нюансы механизмов динамического включения MOSFET, а также механизмы обратного восстановления диода, лавинного пробоя, особенности работы в линейном режиме.

Из статьи станет понятно, как выбрать правильное устройство и максимально избежать проблем.

Азбука устройства MOSFET

В общих чертах MOSFET позволяет с помощью низкого напряжения на затворе управлять током, протекающим по каналу «исток-сток». Благодаря этому свойству можно значительно упростить схему управления, а также снизить суммарную затрачиваемую на управление мощность.

На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET: планарная и Trench.

Первые MOSFET были созданы по планарной технологии. Транзисторы, изготавливаемые по этой технологии, изображены на рис. 1. Их структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида кремния SiO₂.

Рис. 1. Планарная технология – первые дискретные MOSFET

Trench-структура (рис. 2) имеет более высокую плотность ячеек, что выражается в более низком значении Rds(on). В Trench MOSFET на поверхности подложки создается V-образная канавка, на которую осаждается слой оксида, и затем происходит металлизация.

Рис. 2. Высокоплотные Trench MOSFET могут быть меньше, чем их планарные собратья, но обладать сравнимым значением Rds(on)

Поле затвора в Trench MOSFET оказывает влияние на гораздо большую область кремния. В результате этого для получения аналогичного Rds(on) требуются меньшие физические размеры, чем при изготовлении MOSFET по планарной технологии.

Наряду с явными достоинствами MOSFET имеют и отрицательные стороны. Так, между слоем n- стока и p+ истока формируется внутренний диод. Характеристики этого диода приводятся в технических данных на все MOSFET. Применяя MOSFET в импульсных схемах, всегда нужно принимать во внимание время обратного восстановления внутреннего диода. Также, в MOSFET формируется внутренний NPN-транзистор, коллектором которого является n-слой стока, базой – p-слой, а эмиттером – n-слой истока.

Необходимо учитывать, что металлизация истока (рис. 3) в некоторых местах имеет очень низкое сопротивление между переходом «база-эмиттер», этот момент осложняет включение транзистора.

Рис. 3. Внутренние диод и биполярный транзистор в структуре MOSFET

Емкостные механизмы ложного открывания

Несколько ложных механизмов включения могут создавать сложности при разработке импульсного источника питания. Открывают список два из них. Они связаны с паразитными емкостями транзистора и переходными процессами. Переходные процессы возникают из-за изменения напряжения на индуктивности. Происходит это во время переключения состояния MOSFET.

Первый механизм связан с емкостью Миллера C_DG и емкостью затвора C_GS. Если к выключенному MOSFET приложить напряжение V_DS, то фронт этого напряжения наводит ток, протекающий через емкость Миллера, емкость затвора, в итоге на сопротивлении цепи затвора (R_G) создается падение напряжения (рис. 4). Если образующийся потенциал превысит пороговое напряжение затвора, произойдет ложное открывание транзистора.

Рис. 4. Емкость Миллера с емкостью затвор-исток образуют делитель напряжения

С ростом температуры увеличивается вероятность ложного открывания транзистора из-за тока, наведенного фронтом напряжения V_DS.

Данная проблема актуальна, когда синхронный понижающий конвертер преобразует напряжение с 12 до 1,8 В или ниже, а выход продолжительное время нагружен на индуктивную нагрузку. В этом случае ключ нижнего плеча проводит ток нагрузки большую часть времени. Когда ключ верхнего плеча запирается, индуктивность коммутируется вниз через внутренний диод транзистора нижнего плеча, затем транзистор нижнего плеча включается. Напряжение «сток-исток» верхнего ключа быстро поднимается от 0 В (включенное состояние) до примерно V_CC-V_F (выключенное состояние минус напряжение падения на диоде). В это время транзистор весьма восприимчив к ложному отпиранию. Вероятность этого настолько высока, что для качественной оценки используется соотношение Q_GS и Q_GD; выбирая MOSFET, мы должны руководствоваться этим соотношением. Чем выше Q_GD и ниже Q_GS, тем выше вероятность, что произойдет ложное открывание. Низкое значение R_G, низкий выходной импеданс драйвера затвора и низкий импеданс трассировки позволяют качественнее удерживать устройство в запертом состоянии.

Если в устройстве имеются подозрения на ложные открывания, понаблюдайте за напряжениями V_GS, V_DS и током I_D. Когда нижний ключ отпирается, мы наблюдаем короткий положительный импульс на V_GS и связанное с ним понижение V_DS. Для борьбы с этим эффектом можно выбрать MOSFET с низкой емкостью C_DG, высокой емкостью C_GS и более высоким порогом отпирания. Возможна установка дополнительного конденсатора между затвором и истоком. При установке C_GS увеличивается суммарный заряд затвора, необходимый для достижения порогового напряжения отпирания MOSFET. Емкость C_GS ослабляет влияние эффекта Миллера, заряжаясь создаваемым им током и препятствуя возникновению тока в цепи затвора. Однако этот способ очень редко используется на практике, поскольку увеличение емкости в цепи затвора приводит к росту потерь переключения MOSFET.

Второй емкостной механизм связан с внутренним NPN-транзистором, сформированным в структуре MOSFET. Переход «база-эмиттер» этого транзистора обладает низким, но не нулевым сопротивлением. Падение напряжения, вызванное протеканием тока по этому сопротивлению, заряжает емкость Миллера (рис. 5)

Рис. 5. Тип включения, при котором внутренний транзистор структуры MOSFET оказывает дополнительное влияние

Включение от индуктивности истока

Структуры большинства выводных MOSFET – SOIC, DPAK, TO-220 и т.д. – сходны между собой. Высокотемпературный припой соединяет основание устройства с выводной рамкой. Это соединение обладает минимальной проводимостью. Также жесткие проволочки соединяют исток прибора от наружного вывода к внутреннему слою. Иногда от вывода истока идет несколько жестких параллельных проволочек, для этого используется технология соединения die-to-leadframe (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция большинства выводных MOSFET на примере корпуса D2PAK

Затвор соединен с внешним выводом одним миниатюрным жестким проводником. Проблемы возникают из-за наличия индуктивности выводов истока. Через вывод стока протекает мощный ток, а также обратный ток включения/выключения от драйвера затвора.

С практической точки зрения невозможно увидеть реальное напряжение на истоке выводного транзистора. Измерив напряжение, мы получим значение лишь на выводе истока, но фактически исток транзистора соединяется с источником напряжения через индуктивность вывода. В абсолютном выражении проводник, расположенный над заземленным проводником в свободном пространстве, обладает индуктивностью 0,8 нГн/мм; таким образом, между источником напряжения и истоком транзистора присутствует индуктивность порядка 3…5 нГн. Большие корпуса транзисторов, например, TO220, как правило, имеют большие значения индуктивности истока.

Индуктивность истока обладает свойством оказывать противодействие как при включении транзистора, так и при его выключении. Процессы, возникающие при выключении, гораздо заметнее из-за больших токов, протекающих через устройство, и большей энергии, запасенной в индуктивности истока.

Несмотря на то, что сигнал управления выключением транзистора выбирает путь наименьшего сопротивления, напряжение от индуктивности истока добавляется к низкому напряжению от драйвера, и тем самым создает паразитный сигнал управления состоянием затвора.

Если это паразитное напряжение достаточно высоко, то оно может включить устройство, противодействуя сигналу драйвера затвора (рис. 7)

Рис. 7. Включение транзистора паразитным напряжением, действующим против сигнала драйвера затвора

Для устранения проблем в высокоскоростных схемах применяются безвыводные корпуса, например, корпус PQFN с технологией медной клипсы от International Rectifier, а также корпус DirectFET. MOSFET в этих корпусах обладают минимальными индуктивностями истока. В устройствах, которые требуют применения выводных компонентов, мы можем подавать на затвор отрицательное напряжение запирания. При наличии достаточного отрицательного напряжения на затворе паразитный импульс не способен сместить потенциал V_G до порогового значения.

В таблице 1 приведены параметры двух новых MOSFET компании IR – IRF6708S и IRF6728M, которые выполнены в корпусе DirectFET малого и среднего размера, соответственно. Их использование позволяет уменьшить размер печатной платы, а также снизить общую стоимость системы. Технология корпусирования DirectFET позволяет получить минимальные сопротивления контактов и паразитные индуктивности выводов, а также обладает высокой эффективностью отвода тепла от кристалла за счет двустороннего охлаждения и других конструктивных особенностей.

Таблица 1. Параметры новых MOSFET компании International Rectifier

Наименование	VDS, В	RDS(ON) тип.@10 В, мОм	RDS(ON) тип.@4,5 В, мОм	VGS, В	QG тип. @ 4,5 В, нКл	QG тип. @10 В, нКл
IRF6728M	30	1,8	2,8	± 20	20	8,7
IRF6708S2	30	7,5	12	± 20	6,6	2,2

Ранее мы упоминали диод, который образуется в p-n-переходе MOSFET между n- областью стока и p-каналом истока. Как и любой другой диод, он обладает временем обратного восстановления (рис. 8).

Рис. 8. Типовой график времени обратного восстановления внутреннего диода

Основными параметрами этого диода являются t_RR и Q_RR, и условия, при которых они были измерены.

Когда транзистор верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе выключается, индуктивность начинает разряжаться через внутренний диод транзистора нижнего плеча. Это режим потерь, который минимизируют за счет быстрого включения транзистора нижнего плеча. Канал транзистора нижнего плеча открывается и отбирает весь ток на себя, диод закрывается.

Ток обратного восстановления MOSFET течет через канал наряду с током выброса от индуктивности. Суммарный ток может негативно повлиять на область безопасной работы прибора.

Может показаться, что единственным вариантом является выбор MOSFET с наиболее низкими Q_RR и/или t_RR. Это не так.

Параллельно внутреннему диоду можно подключить внешний диод с более низким напряжением V_F: таким образом, ток потечет в обход внутреннего диода. MOSFET со встроенным диодом Шоттки, называемые FETky, предполагают наличие внутреннего диода Шоттки, включенного параллельно с внутренним диодом, он выполняет ту же самую роль. Прямое напряжение V_F диода Шоттки гораздо меньше, чем у обычного p-n-перехода. Таким образом, Шоттки шунтирует ток выброса. Поэтому быстрый диод Шоттки необходим для уменьшения Q_RR. В высоковольтных приложениях, для которых FETkeys не производятся, можно включить внешний диод Шоттки необходимого или большего напряжения параллельно с внутренним диодом с минимальной индуктивностью.

Лавинный пробой

Самый простой способ объяснить лавинный пробой – использовать flyback-конвертер (рис. 9).

Рис. 9. Схема flyback-преобразователя для демонстрации лавинного процесса

Предположим, что структура цепочки RCD, используемая, чтобы минимизировать выбросы напряжения через переключающийся MOSFET, не является внутрисхемной. Кроме того, узел между стоком MOSFET и индуктивностью первичной обмотки разблокирован.

С разблокированным стоком напряжение VDS близко или немного выше напряжения B+, в этом случае мы наблюдаем лавинный пробой (рис. 10).

Рис. 10. Ограниченный лавинный процесс во Flyback-преобразователе

Лавинный пробой – когда напряжение на MOSFET повышается быстро и затем отсекается на некотором уровне выше напряжения V_DS (обычно 110…115% от V_DS). Отсечка происходит, когда напряжение пробоя внутреннего диода MOSFET ограничивает увеличение напряжения. Подтверждением является плоская вершина формы всплеска напряжения.

Лавинный пробой происходит из-за наличия индуктивности. Например, соленоид или двигатель испытывают аналогичный скачок напряжения при открытии ключа с разблокированной нагрузкой.

Существует немало статей на тему лавинного пробоя, в которых подробно описаны методики проектирования и расчета подобных цепей.

Важное отступление по сравнению транзисторов по параметрам лавинного пробоя. Раньше для оценки и тестирования старых транзисторов использовали в качестве нагрузки большие значения индуктивности, для тестирования новых транзисторов используют значительно меньшие величины. Данные различия нужно учитывать, когда производится сравнение транзисторов по параметрам лавинного пробоя, так как новые полевые транзисторы на первый взгляд будут выглядеть значительно хуже по характеристикам, чем более старые.

Линейный режим работы

Рассмотрим работу MOSFET в линейном режиме.

На рис. 11 в логарифмическом масштабе на горизонтальной оси отложены значения напряжения «сток-исток» V_DS, на вертикальной оси – значения тока стока I_D. Кривая области безопасной работы описывает прямо-смещенную характеристику MOSFET-транзистора.

Рис. 11. Область безопасных режимов MOSFET

Положительный наклон в первой декаде I_D/V_DS отражает постоянное сопротивление R_DS(ON), отрицательный – постоянную мощность. При низком напряжении MOSFET не может провести номинальный ток из-за сопротивления канала R_DS(ON) и низкого значения V_DS. Постоянное сопротивление R_DS(ON) показано линейно в первой части кривых (линия зеленого цвета) области безопасной работы.

Вторая часть кривой (серая линия) отражает максимальный ток через транзистор. Третья часть (синяя линия) — постоянная мощность MOSFET.

Четвертая часть (линии розового и фиолетового цветов) никогда не описывались, исключение составляют лишь самые новые технические описания у компании IR. Этот сегмент имеет отрицательный наклон свыше постоянной мощности. По сути это выглядит как вторичный пробой в биполярном транзисторе, но это не так. Здесь показана область стабильной работы транзистора в стабильном состоянии – напряжение V_DS выше, а ток I_D ниже максимально допустимого. Большинство импульсных устройств не работают в этом состоянии. В импульсном источнике питания транзистор находится либо во включенном состоянии, с низким V_DS и высоким током (левая верхняя линия области безопасной работы), либо выключен.

Вторая точка перелома на кривой области безопасной работы показывает границу Спирито. Эта точка перегиба возникает из-за микроскопических особенностей транзистора. MOSFET состоит из множества тысяч параллельных ячеек, каждая ячейка обладает примерно одинаковыми значениями V_DS и V_GS. Единственный параметр, который отличает ячейку от ячейки – усиление. Когда MOSFET находится в режиме насыщения, то разность в усилении не существенна. Но это заметно в линейном режиме. Ячейка с большим усилением пропускает больший ток, что вызывает локальный перегрев. Решением является перевод транзистора в насыщение, тогда ячейки оптимально распределяют ток, не вызывая перегревов. Наиболее оптимально работают в линейном режиме ранние планарные MOSFET. Обладая низкой плотностью ячейки и низким коэффициентом усиления, они лучше распределяют поток тепла на большой площади, что меньше сказывается на параметрах MOSFET в линейном режиме. Ранние планарные транзисторы (рис. 12) лучше подходят для линейных режимов работы, чем Trench-приборы.

Рис. 12. Сравнение технологий при работе в линейном режиме

Лучше всего это иллюстрируется в сравнении трех различных технологических процессов – ранняя планарная технология, обновленная планарная технология, и Trench-технология.

Для MOSFET, работающих в линейном режиме с постоянным напряжением «затвор-исток» V_GS, током стока I_D и температурой, повышение температуры (с сохранением постоянного значения V_GS) и увеличение тока приводит к тепловому уходу и нестабильности. И наоборот, уменьшение тока с ростом температуры приводит к повышению стабильности работы транзисторов в линейном режиме.

На графике ранних планарных MOSFET четко видна точка пересечения, после которой нагрев вызывает тот же или меньший ток для данного значения напряжения V_GS. Этого эффекта не наблюдается у MOSFET с обновленной планарной технологией и у Trench.

Обновленные планарные и Trench-MOSFET не подходят для технологий hot-swap и линейного регулирования, так как они тут же выйдут из линейного режима. Эти приложения требуют MOSFET ранней планарной технологии.

Инженеры по применению КОМПЭЛ могут дать вам ответ о технологии производства конкретного MOSFET и о возможности его применения в той или иной схеме.

Данный обзор должен помочь в решении множества проблем при создании прототипов устройств. И хотя не было затронуто большое количество параметров и основных направлений, была предпринята попытка объяснить основные механизмы, взаимодействия, и возможные пути решения возникающих проблем. Независимо от того проектируется ли DC/DC-преобразователь или схема hot-swap, этот материал будет полезен на всех уровнях, от миниатюрных до многоваттных устройств.

Источник

Силовые MOSFET: расширяем возможности

Силовые MOSFET — одни из самых востребованных в настоящее время ключевых элементов, используемых для преобразования электрической энергии. Они находят широкое применение в каскадах DC/DC-преобразователей, в коммутации и распределении цепей питания, управлении электроприводом и в цепях защиты. Основные параметры мощных МОП-транзисторов во многом определяют эффективность преобразования энергии в силовых приборах. Базовая технология MOSFET была разработана еще в 1970-х гг., однако поиск новых методов улучшения эффективности данного класса приборов продолжается.

Эволюция MOSFET происходит по двум направлениям — в сторону увеличения эффективности преобразования энергии и увеличения плотности мощности. Эффективность преобразования определяется уровнем потерь мощности на силовом ключе в процессе работы. Плотность мощности определяется отношением максимального коммутируемого тока, приведенного к корпусу или площади, которую корпус прибора занимает на плате. Ключевыми параметрами, определяющими эффективность работы MOSFET-транзисторов, являются: сопротивление в открытом состоянии Rds(on), максимальный ток через транзистор Id и заряд затвора Qg. Потери мощности определяются двумя составляющими: статической и динамической. Статические потери обусловлены падением напряжения на сопротивлении открытого канала. Динамические потери определяются характером переключения, влиянием паразитных составляющих, потерями в цепях управления по затвору.

Повышение плотности мощности определяется усовершенствованием структуры кристалла и технологии корпусирования. Эволюция развития транзистора от планарной до trench-технологии сопровождалась значительным сокращением площади кристалла, что привело к снижению сопротивления канала в открытом состоянии Rds(on). В свою очередь, уменьшение этого параметра отразилось на снижении потерь мощности и улучшении процесса рассеяния тепла, что позволило производителям повысить плотность мощности. У современных низковольтных MOSFET сопротивление открытого канала составляет менее 1 мОм. Эти приборы обеспечивают широкий токовый диапазон для различных приложений — от единиц до сотен ампер.

Факторы, определяющие эффективность силовых МОП-транзисторов

Для анализа работы полевых транзисторов существует множество моделей, и, тем не менее, соответствующее описание их работы затруднено. Большинство производителей полевых транзисторов предлагают для своих изделий модели Spice или Saber, но слишком мало говорят о ловушках, подстерегающих разработчика. Эти модели обеспечивают, как правило, несколько способов разрешения наиболее общих вопросов. Характеристики переключения транзисторов в реальной схеме существенно отличаются от тех, которые рассчитаны производителями по составным моделям. Причиной этого является недооценка или трудность учета дополнительных факторов, влияющих на поведение мощного МОП-транзистора в реальной схеме.

Кроме структуры и технологического процесса, по которому изготовлен прибор, на работу MOSFET в реальной схеме оказывают влияние и другие факторы:

– паразитные емкости и индуктивности межсоединений;

– топология проводников печатной платы.

При больших токах следует учитывать сопротивление корпуса и печатных дорожек. Медные проводники стандартной печатной платы имеют удельное сопротивление 0,5 мОм на квадрат. В отдельных случаях сопротивление канала MOSFET оказывается ниже сопротивления печатных дорожек. Возможно ли на практике обеспечить прохождение тока с такой плотностью в столь небольшом корпусе? Можно ли добиться того, чтобы сопротивления межсоединений «кристалл — выводы корпуса» и «выводы корпуса — контактные площадки печатной платы» были столь же низки? Необходимо также сохранить высокую частоту переключений транзистора. Что же на практике ограничивает скорость переключения силовых транзисторов?

Фактически, реальная скорость переключения также зависит от ряда других факторов. Например, от того, насколько быстро происходит управление цепями затвора с учетом паразитной индуктивности.

Для анализа поведения MOSFET в реальной схеме рассмотрим полумостовую схему, которая является наиболее типовой для силовой электроники. В частности, эта схема широко используется в синхронных понижающих конверторах.

Влияние паразитной индуктивности выводов корпуса

Одним из основных паразитных элементов полевого транзистора, усложняющих и ухудшающих динамику переходных процессов в реальных схемах, является паразитная индуктивность выводов полевого транзистора. Она обусловлена двумя составляющими –индуктивностью сварных проволок и индуктивностью металлических выводов рамки транзистора. Величина паразитной индуктивности выводов составляет 5…7 нГн.

Рис. 1. Эквивалентная схема полумостового транзисторного каскада с учетом паразитных цепей

Задержка в сигнале управления увеличивает потери мощности в цепях управления полевого транзистора. На рисунке 2 показана зависимость потери мощности от индуктивности выводов MOSFET в реальной схеме DC/DC-преобразователя со следующими параметрами: входное напряжение — 12 В; выходное — 1,3 В; частота преобразования — 500 кГц; выходной ток — 30 А.

Рис. 2. Падение напряжения на CSI увеличивает потери мощности в цепях управления FET

Чем больше потери мощности, тем меньше эффективность преобразования энергии. Наличие индуктивности выводов может также привести к появлению выбросов напряжения. Если эти броски напряжения превысят предельно допустимые значения, прибор выйдет из строя.

Для устранения или уменьшения паразитной индуктивности рекомендуется использовать безвыводные корпуса типа DirectFET, а для уменьшения импеданса межсоединений — оптимальную топологию разводки. В отличие от стандартных корпусов, DirectFET не имеет ни развариваемых проводников, ни рамочных выводов.

Демпфирование индуцированного включения транзистора нижнего плеча

Одной из основных проблем, с которой часто приходится сталкиваться разработчикам силовых преобразователей, является возникновение сквозного тока в полумостовых каскадах, вызванное ложным отпиранием транзистора нижнего плеча из-за емкости Миллера в структуре МОП-транзистора (сток-затвор). Большие частоты переключения с острыми фронтами приводят к увеличению динамического тока. При открывании транзистора верхнего плеча напряжение сток-исток противоположного транзистора уменьшается со скоростью dVce/dt. Фронт этого напряжения вызывает протекание тока через емкость Миллера, затворный резистор и выходной каскад драйвера, что создает падение напряжения на активном сопротивлении в цепи затвора. Если этот потенциал превысит пороговое напряжение на затворе, произойдет ложное открывание транзистора Q2 (см. рис. 3).

Простой математический анализ показывает, что для наилучшего решения этой проблемы следует, чтобы соотношение Qgd/Qgs1 было меньше 1. Другими факторами предотвращения индуцированного включения являются низкий выходной импеданс цепей драйвера (<1 Ом), низкое внутреннее сопротивление затвора транзистора Rg, включение внешнего форсирующего конденсатора GS и использование для транзистора Q2 типов корпусов с минимальными паразитными параметрами.

Соотношение динамических и статических потерь

Показателем качества управляющего ключа синхронного выпрямителя DC/DC-преобразователя является произведение сопротивления открытого канала на заряд переключения — Rds(on)∙Qsw. Именно этой величине прямо пропорциональна основная доля потерь мощности.

Для лучшего понимания вклада паразитной емкости Cdv/dt в динамические потери рассмотрим два близких типа MOSFET, отличающихся, в основном, Rds и отношением Qgd/Qgs1 (см. табл. 1).

Таблица 1. Параметры двух транзисторов MOSFET

Транзистор №1 имеет высокое значение Rds(on) и низкое отношение CR, тогда как транзистор №2 имеет низкое значение Rds(on), но высокое отношение CR. Эти два транзистора были поочередно протестированы в схеме синхронного понижающего преобразователя (см. рис. 3). Транзисторы устанавливались на месте Q2, транзистор Q1 был того же типа. Частота преобразования конвертора — 1 МГц. Входное напряжение — 14 В, а выходное — 1,3 В. Измеренные потери для двух различных типов транзисторов показаны на рисунке 4.

Рис. 4. Потери для двух различных типов МОП-транзисторов в нижнем плече схемы на рисунке 3 (транзистор Q2)

Как показано на этом рисунке, транзистор №1 имеет меньшие потери по сравнению с транзистором №2 в широком диапазоне нагрузок. Фактически, при токе нагрузки 10 A потери мощности на транзисторе №1 на 0,72 Вт меньше, чем у транзистора №2. В целом, потери прибора №2 на 18% больше чем у прибора №1, которые в основном обусловлены вкладом составляющей Cdv/dt (динамические потери при включении). Секрет состоит в том, что транзистор №1 имеет меньшее значение Qgd и отношение CR и, следовательно, он обеспечивает меньшие потери Cdv/dt.

Влияние топологии разводки

Разводка цепей на печатной плате является другим важным фактором, определяющим производительность MOSFET в силовой схеме. Например, плохая или неудачная разводка печатных дорожек может добавить паразитные индуктивности и сопротивления, которые приведут к увеличению динамических потерь и потерь на проводимость. В результате вырастет уровень ЭМИ.

Для уменьшения влияния топологии разводки разработчик должен стремиться к тому, чтобы площадь входных цепей была как можно меньше, и размещать драйвер и MOSFET как можно ближе друг к другу (см. рис. 5).

На правой части рисунка для уменьшения площади входных цепей использованы проходные керамические конденсаторы малого размера, размещенные под транзистором, и переходные отверстия. Следовательно, необходимо помещать проходные конденсаторы после выхода драйвера как можно ближе к затвору MOSFET. В данном случае, организация цепей управления транзистором Q1 имеет больший приоритет, чем цепей Q2.

При параллельном соединении полевых транзисторов следует обеспечить согласование импеданса затворных цепей. Дополнительно, при разводке печатных дорожек требуется использовать отдельные проводники аналоговой и силовой земли, чтобы локализовать прохождение больших токов по заданным направлениям и исключить влияние на чувствительные входные цепи. Эти две земли необходимо соединить на печатной плате только в одной точке. В разводке следует использовать множество переходных отверстий для соединения МОП-транзистора с цепями питания Vin или землей. Любые неиспользуемые площади на печатной плате должны быть покрыты медным слоем.

Технология корпусирования — ключевой фактор повышения производительности MOSFET

Рост эффективности корпусов силовых МОП-транзисторов для поверхностного монтажа до настоящего времени обеспечивался эволюционным развитием уже известных основных типов корпусов по двум основным направлениям. Первое из них — разработка на базе корпуса SO-8. Второе — разработка приборов с многорядным расположением шариковых контактов в корпусах типа BGA или в бескорпусных FlipChip.

Снижение активного сопротивления и улучшение теплопередачи вариантов корпуса SO-8 достигалось за счет увеличения количества развариваемых к выводам и кристаллу проволок из золота или алюминия. Им на смену пришло крепление кристалла медными зажимами-клипсами, что попутно улучшило отвод тепла к умощненным выводам корпуса, дополнительно рассеивающим тепло.

За последние несколько лет ведущие производители MOSFET произвели существенные улучшения в корпусировании транзисторов, сохранив при этом низкие сопротивления во включенном состоянии и минимизировав паразитные параметры.

Корпус D2PAK-7

Корпус D2PAK (TO-263) был разработан более 10 лет назад. Он используется многими производителями для корпусирования мощных MOSFET с токами до 100 А и более. Соединение контактов затвора и истока кристалла с выводами рамки корпуса производится алюминиевыми проволоками диаметром около 250 мкм. Стоковый контакт кристалла посажен через эвтектику на массивную металлическую площадку выводной рамки. Для уменьшения сопротивления соединения истока оно выполнено тремя проволоками. Основная цель модифицированного корпуса D2PAK-7, выпущенного компанией International Rectifier — увеличение нагрузочной токовой способности корпуса за счет уменьшения сопротивления между контактами истока кристалла и выводной рамкой. Кристалл транзистора при этом не подвергался модификации под новый корпус. С этой целью истоковые контакты на кристалле соединены четырьмя проволоками с двумя гребенками контактов — на два и три контакта (см. рис. 6).

Благодаря этому удалось уменьшить сопротивление Rds(on) на 0,4 мОм по сравнению с обычным трехвыводным корпусом D2PAK. Использование дополнительных выводов рамки для цепи истока также улучшило теплопередачу. При этом увеличилась и нагрузочная токовая способность корпуса.

В таблице 2 представлены базовые параметры MOSFET в модифицированных корпусах D-PAK-7 компании IR. Можно отметить значительное уменьшение сопротивления открытого канала Rds(on) и увеличение максимального тока Id. Новая технологии корпусирования позволила значительно увеличить плотность мощности полевых транзисторов. Однако паразитные индуктивности выводов для корпуса D-PAK-7 сохранились на прежнем уровне.

Таблица 2. HEXFET N-канальные MOSFET-транзисторы в 7-выводном корпусе D2-PAK

Корпус DirectFet

Технология корпусирования DirectFET компании IR стала первой, которая обеспечила прорыв на пути достижения рекордно высоких показателей эффективности корпуса. Внешний вид и поперечный разрез прибора DirectFET представлены на рисунке 7.

Рис. 6. Новый корпус обеспечивает удвоение токовой нагрузочной способности до двух раз

Рис. 7. Корпус типа DirectFET обеспечивает минимальные сопротивление выводов и паразитную индуктивность

Кристалл имеет двустороннее расположение выводов. На его нижней стороне расположены металлизированные контакты: два контакта истока и один — затвора. Контакт стока на второй поверхности кристалла соединен с медным корпусом-кожухом. Кристалл крепится к корпусу с помощью специального компаунда. Электрический контакт с печатной платой обеспечивается пайкой двух контактов истока, контакта затвора и двух контактов корпуса (отбортовки на корпусе). В транзисторах DirectFET электрический ток протекает по кратчайшему расстоянию — через кристалл и крышку корпуса. У транзисторов в корпусе SO-8, D-Pak и в разновидностях корпусов на их основе ток, кроме того, протекает через проволоки разварки кристалла и выводы корпуса. Электрическое сопротивление корпуса DirectFET около 0,1 мОм. Это значение в 14 раз ниже, чем аналогичный параметр у классического корпуса SO-8. Оно гораздо ниже электрического сопротивления кристалла при открытом канале.

Разработанный компанией International Rectifier корпус нового поколения для поверхностного монтажа обеспечивает эффективный отвод тепла от кристалла мощного MOSFET за счет двухстороннего охлаждения кристалла. У транзисторов в корпусах DirecFET термосопротивление «кристалл — печатная плата» составляет всего 1°С/Вт, а термосопротивление «кристалл — поверхность корпуса» — 3°С/Вт. Благодаря низкому термосопротивлению корпуса DirectFET способны рассеивать гораздо более высокую мощность, чем корпуса для поверхностного монтажа других типов. Это позволило, по крайней мере, удвоить номинальный ток транзистора, сохранив размеры как кристалла, так и корпуса. Отсутствие проволок разварки и рамочных выводов с прямым монтажом кристалла на печатную плату предельно снизило сопротивление контактов и паразитные индуктивности выводов. Простота топологии монтажа печатной платы также способствует уменьшению паразитных индуктивностей.

Классификация корпусов DirectFET

Для оптимизации и согласования с током и сопротивлением канала транзистора разработаны три группы стандартных типов корпусов DirectFET, отличающихся размером крышки (Can): Small (малые), Medium (средние) и Large (большие). В каждой из групп существуют различные модификации в зависимости от размера кристалла, расположения и числа контактных площадок. На рисунке 8 представлено сравнение размеров корпусов SO-8, DirectFET типоразмера М (средний типоразмер) и D-Pak.

Все типы корпусов DirectFET имеют одинаковую и минимальную среди корпусов для поверхностного монтажа высоту 0,7 мм. Номенклатура выпускающихся транзисторов в корпусах DirectFET компании IR перекрывает диапазон напряжений 20…250 В.

В таблице 3 приведены параметры N-канальных HEXFET-транзисторов International Rectifier в корпусах DirectFET.

Таблица 3. N-канальные HEXFET-транзисторы в корпусах DirectFET

Rds(on) Max 10 В, мОм

Применение транзисторов в корпусах DirectFET дает возможность заменить до трех параллельно включенных транзисторов в корпусе SO-8 или до двух транзисторов в корпусе D-Pak, вдвое поднять объемную плотность энергии, резко снизить температуру в преобразователе. Ультранизкое сопротивление открытого канала и низкий заряд затвора обеспечивают КПД преобразования выше 90% в одно- и многофазных DC/DC-преобразователях, применяемых в компьютерной технике.

Корпус PQFN

Транзисторы в корпусе PQFN (силовой QFN) занимают промежуточное положение по эффективности между транзисторами в стандартных корпусах DPAK, SO-8 и в корпусах DirectFET. Корпус PQFN (см. рис. 9) занимает такую же площадь, как и SO-8, но имеет ряд преимуществ.

Рис. 9. Корпус типоразмера 5×6 мм занимает точно такую же площадь и использует то же посадочное место, что и корпус SO-8

Расположение выводов для этих двух корпусов идентичное, что обеспечивает применение транзистора в корпусе PQFN в качестве альтернативной замены SO-8. В нем можно разместить более крупный кристалл. Выводы стока и истока имеют большую площадь. Термосопротивление между кристаллом и выводами существенно ниже, чем у SO-8 (2,8°С/Вт). По этой причине транзисторы в данном корпусе можно использовать в преобразовательных устройствах с более высокими характеристиками, чем в случае транзисторов в корпусе SO-8 и с более низкой ценой по сравнению с DirectFET. В таблицах 4 и 5 представлены параметры HEXFET N- и P-канальных транзисторов International Rectifier в корпусах PQFN.

Таблица 4. N-канальные HEXFET-транзисторы IR в корпусах PQFN

RDS(on)
Max 10 В, мОм

Таблица 5. P-канальные HEXFET в корпусах PQFN

Тип, размер корпуса

RDS(on) Max 10 В, мОм

Зависимость сопротивления и паразитной индуктивности корпуса от частоты

Измеренные зависимости сопротивления и паразитной индуктивности от частоты для различных типов MOSFET-корпусов показаны на рисунках 10 и 11.

Из приведенных рисунков видно, что корпуса DirectFET вносят совсем незначительный вклад в паразитное сопротивление и индуктивность по сравнению с другими корпусами. Кроме того, вариации паразитных параметров DirectFET минимально зависят от частоты по сравнению с указанными корпусами, поскольку индуктивность и сопротивление корпуса сведено к минимуму.

Последние модернизации корпусов DirectFET позволили уменьшить его сопротивление до 0,15 мОм, а паразитную индуктивность — до менее чем 0,1 нГн. Среди других корпусов ближе всех по данным показателям к DirectFET является корпуса серии MLP, представляющие собой разновидность корпусов PQFN.

Эффективные приложения MOSFET

Топология понижающего DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямлением требует применения полумостового коммутатора, в нижнем плече которого преобладают потери проводимости, а в верхнем — динамические потери коммутации. Динамические потери тем выше, чем выше частота коммутации. Т.е. для верхнего плеча требуется ключ с минимальным RDS(ON), а для нижнего плеча — с минимальным QG. Новые технологии компании International Rectifier позволяют ей производить MOSFET с улучшенными рабочими характеристиками, благодаря чему в полумостовых каскадах применяются транзисторы одного типа с сохранением высокого уровня его эффективности. Малые значения QG обеспечивают низкое электропотребление AC/DC-преобразователей в дежурном режиме. Все перечисленные преимущества DirectFET далеко не исчерпывают возможности новой технологии корпусирования. В новом типе корпуса возможна также реализация целого ряда других силовых приборов, например, ультрабыстрых диодов, диодов Шоттки с возможностью достижения нового уровня характеристик.

Для большинства применений повышенная плотность мощности увеличивает гибкость выбора конструкторских решений. Например, в схемах, где требуется использование параллельных MOSFET для перераспределения тока, транзисторы с более высоким током позволяют снизить общее число используемых компонентов и стоимость изделия, поскольку меньшее число полевых транзисторов пропускает ток той же величины. Поэтому увеличение плотности мощности и возможности работать на высоких токах позволяет использовать полевые транзисторы в более сложных условиях эксплуатации, где требуется больший запас «выносливости» при возникновении нежелательных переходных процессов.

Благодаря компактности и ультранизким потерям перечень приложений транзисторов DirectFET постоянно расширяется. Помимо уже перечисленных приложений DirectFET нашли применение в высококачественных усилителях звука, в инверторах солнечных батарей, приводах с батарейным питанием, применяемых в электроинструментах.

1. Eric Persson. What really limits MOSFET performance: Silicon, package, driver or circuit board?//International Rectifier Corp. EE Times.

2. В. Башкиров. DirectFET — прорыв в технологии корпусирования мощных полевых транзисторов//Компоненты и технологии. №5. 2002.

3. В. Башкиров. Новые семейства высокоэффективных низковольтных MOSFET//Новости электроники.

4. А. Никитин. Преимущества транзисторов в корпусах DirectFET//Новости электроники. № 7. 2010.

5. DirectFET Technology Board Mounting Application Note//Документ an-1035 компании International Rectifier.

6. А. Павленко. Монтаж корпуса DirectFet//Силовая электроника. №4. 2008.

Источник