Транзисторы CoolMOS™ с диодами CFD7 для резонансных преобразователей с высоким КПД

4 сентября

телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводники

Александр Русу (г. Одесса)

Транзисторы CoolMOS™ производства Infineon с диодами CFD7 со сверхмалой величиной заряда обратного восстановления идеальны для выпрямительных устройств вычислительной и телекоммуникационной техники.

Специфическая особенность полевых транзисторов с изолированным затвором – наличие встроенного антипараллельного диода между стоком и истоком, что является одновременно их преимуществом и недостатком. Например, в полумостовых и мостовых схемах антипараллельные диоды фиксируют амплитуду напряжения на стоке транзисторов во время переходных процессов, что позволяет обойтись без дополнительных супрессоров в силовой части. А вот в преобразователях переменного напряжения наличие неуправляемого диода не позволяет блокировать протекание тока в обратном направлении, что вынуждает строить силовые ключи на основе как минимум двух приборов, тем самым снижая КПД системы. В любом случае, независимо от того, нужен этот диод или нет, его характеристики должны быть как можно лучше, ведь иначе произойдет увеличение потерь, что, в свою очередь, повлечет за собой ухудшение всех остальных показателей качества преобразователей.

В этой статье речь пойдет об особенностях полевых транзисторов семейства CoolMOS™ с антипараллельными диодами CFD7, разработанными компанией Infineon – одним из ведущих мировых производителей электронных компонентов – в качестве замены прекрасно зарекомендовавшими себя приборам этой же линейки, но с диодами CFD2. Данные приборы, оптимизированные по многим параметрам, имеют настолько малые величины заряда обратного восстановления диода и сопротивления открытого канала, что это делает их одними из самых лучших в своем классе.

Отличительные особенности транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7

600-вольтовые транзисторы CoolMOS™ с диодами CFD7 оптимизированы, в первую очередь, для использования в схемах с мягким переключением при нуле напряжения – в мостовых схемах с фазовым регулированием и LLC-преобразователях, что делает их идеальными для выпрямительных устройств, предназначенных для питания вычислительной и телекоммуникационной техники. Однако это не означает, что сфера их применения ограничена. Благодаря высоким техническим характеристикам эти транзисторы с успехом можно использовать во многих преобразователях повышенной мощности, в том числе и в зарядных устройствах для электротранспорта (рисунок 1). Кроме этого, как и все представители семейства CoolMOS™, данные приборы имеют высокую надежность и одно из лучших на рынке соотношений «цена/качество», что делает их привлекательными для использования в широком круге практических приложений.

Рис. 1. Области применения транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7

Рис. 1. Области применения транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7

Высокая экономическая привлекательность транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7 обусловлена, в первую очередь, использованием уникальных технологий производства на 300-миллиметровых пластинах, что позволило компании Infineon не только выпустить на рынок одни из самых бюджетных полупроводниковых приборов данного класса, но и с высокой вероятностью прогнозировать снижение их цены в будущем (рисунок 2).

Рис. 2. Динамика изменения цены транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD2 и CFD7

Рис. 2. Динамика изменения цены транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD2 и CFD7

Комплексный анализ основных технико-экономических показателей транзисторов CoolMOS™ (рисунок 3) показывает, что диоды CFD7 имеют лучшие значения величины заряда Qrr и времени trr обратного восстановления по сравнению с диодами других типов. А если учесть, что ключевыми особенностями CoolMOS™ являются наименьшее значение заряда затвора Qg и малая величина заряда, сохраняемого в выходной емкости Qoss, то комбинация «CoolMOS™ + CFD7» обладает одним из лучших сочетаний технических характеристик среди 600-вольтовых MOSFET. Кроме этого, общее количество приборов в семействе CoolMOS™ с диодами CFD7 достаточно велико, что позволяет разработчику подобрать прибор, максимально подходящий для решения конкретной технической задачи.

Рис. 3. Комплексный анализ основных технико-экономических характеристик транзисторов CoolMOS™

Рис. 3. Комплексный анализ основных технико-экономических характеристик транзисторов CoolMOS™

Ключевые преимущества транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7

Как бы тщательно ни проектировались резонансные преобразователи с мягким переключением, в полумостовых и мостовых схемах всегда есть высокая вероятность возникновения режимов жесткой коммутации, например, при резкой смене напряжения питания или авариях в цепи нагрузки. В этом случае важно обеспечить максимально безопасный режим работы силовых полупроводниковых компонентов, поскольку даже кратковременное перемещение рабочей точки транзистора или диода на границу области безопасной работы приводит к увеличению скорости деградации кристалла.

При жесткой коммутации, пока диод транзистора другого плеча не восстановит свои изолирующие свойства, возникает сквозной ток значительной величины (ток обратного восстановления Irr), приводящий к увеличению температуры кристалла (рисунок 4). Из-за этого в силовой части схемы увеличиваются скорости изменения напряжений и токов dv/dt и di/dt, что может привести к появлению опасных перенапряжений, а также самопроизвольному открыванию транзисторов. Даже если полупроводниковый прибор после выхода из этого режима остается физически целым, подобные перегрузки могут частично повредить кристалл, что значительно уменьшит срок его службы.

Рис. 4. Диаграммы переключения транзистора при жесткой коммутации

Рис. 4. Диаграммы переключения транзистора при жесткой коммутации

Единственным способом снижения разрушительного действия жесткой коммутации при включении транзистора является уменьшение общей энергии Err, рассеиваемой на кристалле за время trr, на протяжении которого из p-n-перехода диода оппозитного плеча будут удаляться носители с общим зарядом Qrr. Снижение величин Qrr и trr приведет к уменьшению всех негативных параметров процесса переключения: максимального значения тока Irrm и энергии Err обратного восстановления, скоростей изменения напряжений dv/dt и токов di/dt в силовых цепях и, конечно же, температуры перегрева кристалла.

По результатам анализа технической документации других производителей подобных приборов, на сегодняшний день диоды CFD7 имеют наименьшее в классе 600-вольтовых MOSFET значение заряда обратного восстановления Qrr, равное всего 400 нКл, что отражено на рисунке 5 (на этом и последующих рисунках конкретные модели полупроводниковых приборов других производителей не приводятся). Например, у транзисторов IPW60R170CFD7 общий заряд обратного восстановления на 32% меньше чем у ближайших конкурентов – лучших представителей MOSFET CoolMOS™ с диодами предыдущего поколения CFD2. А по сравнению с некоторыми образцами MOSFET других производителей наблюдается троекратное (до 69%) уменьшение этого параметра.

Рис. 5. Величина заряда обратного восстановления Qrr диодов 600-вольтовых MOSFET с сопротивлениями открытого канала 190 мОм

Рис. 5. Величина заряда обратного восстановления Qrr диодов 600-вольтовых MOSFET с сопротивлениями открытого канала 190 мОм

Аналогичная ситуация и с другими характеристиками. Как видно из рисунка 6, время trr и максимальный ток Irrm обратного восстановления транзистора IPW60R170CFD7, соответственно, на 19% и 11% меньше чем у ближайших конкурирующих приборов.

Рис. 6. Величина времени trr и максимального значения тока Irrm обратного восстановления 600-вольтовых MOSFET с сопротивлениями открытого канала 190 мОм

Рис. 6. Величина времени trr и максимального значения тока Irrm обратного восстановления 600-вольтовых MOSFET с сопротивлениями открытого канала 190 мОм

Следует отметить, что транзисторы CoolMOS™, как и другие полевые транзисторы, созданные по технологии Superjunction, не рекомендуется использовать в схемах, постоянно работающих в режиме жесткой коммутации. Однако поскольку этого режима все равно не удается избежать, то улучшенные характеристики антипараллельного диода позволяют снизить уровень перегрузок, а значит – уменьшить тепловые перенапряжения и, соответственно, увеличить уровень надежности преобразователей по сравнению с использованием транзисторов других типов

Но даже если преобразователь изначально рассчитывается для работы в режимах с жестким переключением, то использование CoolMOS™ в любом случае позволяет повысить его энергетические характеристики, ведь диоды CFD7 имеют в два раза меньшую величину энергии обратного восстановления Err по сравнению с диодами CFD2, и в 10 раз – по сравнению с аналогичными MOSFET других типов (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимости энергии обратного восстановления Err от величины коммутируемого тока IF

Рис. 7. Зависимости энергии обратного восстановления Err от величины коммутируемого тока IF

Из-за наличия в коммутируемой цепи индуктивных составляющих, например, паразитной индуктивности печатных проводников, резкое изменение тока стока приводит к возникновению перенапряжений, которые могут стать причиной пробоя кристалла. Это вынуждает разработчиков снижать скорость изменения тока в силовой цепи di/dt либо путем увеличения времени выключения транзистора, либо установкой дополнительных ограничительных цепочек, например, снабберов. Оба способа приводят к дополнительным потерям, поэтому уменьшение величины коммутируемого тока является хорошим средством уменьшения динамических потерь.

В полумостовых схемах при жесткой коммутации максимальное значение напряжения между стоком и истоком VDSmax напрямую зависит от тока обратного восстановления Irrm. Поэтому вполне очевидно, что транзисторы CoolMOS™ с диодами CFD7, обладающие минимальным значением Irrm, будут иметь и меньшие значения перенапряжений на стоке VDSmax (рисунок 8). Как видно из этого рисунка, транзисторы IPW60R170CFD7 имеют наименьшую величину перенапряжения на стоке практически во всем диапазоне коммутируемых токов IF. Это означает, что преобразователи на основе данных приборов будут иметь либо более высокий КПД за счет меньшей величины динамических потерь, либо повышенное значение удельной мощности, достигаемое за счет увеличения частоты переключений и, соответственно, использования более миниатюрных реактивных компонентов.

Рис. 8. Зависимости величины максимального напряжения на стоке VDSmax от величины коммутируемого тока IF

Рис. 8. Зависимости величины максимального напряжения на стоке VDSmax от величины коммутируемого тока IF

Динамические потери при коммутации во многом зависят от скорости переключений транзистора, которые, в свою очередь, зависят от величины сопротивления в цепи его затвора. Для обеспечения безопасной работы все транзисторы CoolMOS™ имеют встроенный резистор, наличие которого ограничивает скорость перезаряда емкости затвора на уровне 1300 А/мкс. При необходимости – например, для уменьшения перенапряжений в цепях стока – скорость перезаряда затвора может быть дополнительно уменьшена путем включения внешнего резистора RGext, однако это обычно приводит к увеличению динамических потерь при выключении транзистора Eoff.

Одной из особенностей транзисторов CoolMOS™ является эффект так называемого раннего разрушения канала, проявляющийся в том, что увеличение сопротивления внешнего затворного резистора RG,ext до некоторой величины (зависящей от сопротивления канала RDSon) не приводит к увеличению потерь при выключении Eoff (рисунок 9). Это позволяет разработчикам гибко оптимизировать режимы работы силовой части, уменьшая уровень электромагнитных помех (за счет меньшей скорости переключений) без ухудшения общего КПД системы.

Рис. 9. Зависимости величины энергии Eoff от величины внешнего резистора в цепи затвора RGext

Рис. 9. Зависимости величины энергии Eoff от величины внешнего резистора в цепи затвора RG,ext

Ассортимент транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7

Как видим, транзисторы CoolMOS™ с диодами CFD7 уже являются лучшими полупроводниковыми приборами в своем классе. Однако данный обзор не был бы полон без упоминания о широком ассортименте этих изделий.

На сегодняшний день транзисторы CoolMOS™ выпускаются в шести видах корпусов, начиная от традиционных TO-247 и TO-220, ориентированных на использование в преобразователях повышенной мощности, и заканчивая ультратонкими корпусами ThinPAK с размерами всего 8х8 мм (таблица 1), что позволяет разработчику подобрать прибор, максимально подходящий для конкретной задачи.

Следует отметить, что транзисторы CoolMOS™ обладают наименьшим для данного типа корпусов сопротивлением канала в открытом состоянии RDSon. Так, например, RDSon транзистора IPP60R070CFD7 в корпусе TO-220 равно всего 70 мОм, в то время как у ближайших конкурирующих приборов минимальное значение этого параметра начинается с 93 мОм (рисунок 10). Однако наибольших успехов компания Infineon достигла при изготовлении приборов в корпусах ThinPAK: сопротивление канала транзистора IPL60R060CFD7 не превышает 60 мОм, что на 40% меньше, чем у лучших 600-вольтовых MOSFET, выпускаемых в аналогичных корпусах.

Рис. 10. Сопротивление канала в открытом состоянии RDSon транзисторов в различных корпусах

Рис. 10. Сопротивление канала в открытом состоянии RDSon транзисторов в различных корпусах

Таблица 1. Ассортимент транзисторов CoolMOS™ с диодами CFD7

RDSon, мОм TO-263 D²PAK TO-252D-PAK ThinPAK 8×8 мм TO-220 TO-220 FullPAK TO-247
360 IPB60R360CFD7 IPD60R360CFD7 IPP60R360CFD7 IPA60R360CFD7
280 IPB60R280CFD7 IPD60R280CFD7 IPP60R280CFD7 IPA60R280CFD7
210/225 IPB60R210CFD7 IPD60R210CFD7 IPL60R225CFD7 IPP60R210CFD7 IPA60R210CFD7
170/185 IPB60R170CFD7 IPD60R170CFD7 IPL60R185CFD7 IPP60R170CFD7 IPA60R170CFD7 IPW60R170CFD7
145/160 IPB60R145CFD7 IPD60R145CFD7 IPL60R160CFD7 IPP60R145CFD7 IPA60R145CFD7 IPW60R145CFD7
125/140 IPB60R125CFD7 IPL60R140CFD7 IPP60R125CFD7 IPA60R125CFD7 IPW60R125CFD7
105/115 IPB60R105CFD7 IPL60R115CFD7 IPP60R105CFD7 IPW60R105CFD7
90/95 IPB60R090CFD7 IPL60R095CFD7 IPP60R090CFD7 IPW60R090CFD7
70/75 IPB60R070CFD7 IPL60R075CFD7 IPP60R070CFD7 IPW60R070CFD7
55/60 IPB60R055CFD7 IPL60R060CFD7 IPW60R055CFD7
40 IPB60R040CFD7 IPW60R040CFD7
31 IPW60R031CFD7
24 IPW60R024CFD7
18 IPW60R018CFD7

Заключение

На сегодняшний день транзисторы CoolMOS™ с диодами CFD7 являются лучшими в своем классе, превосходя по многим характеристикам ближайших конкурентов – аналогичные MOSFET, но с диодами CFD2. Однако малые значения Qrr, trr, VDSmax и Eoff являются хоть и ключевыми, но не главными особенностями новых приборов. Являясь достойными представителями семейства CoolMOS™, MOSFET с диодами CFD7 обладают превосходными электрическими характеристиками, в первую очередь – малым сопротивлением канала в открытом состоянии RDSon и низким зарядом затора Qg. Кроме этого, следует отметить меньший дрейф RDSon при изменении температуры, малое значение заряда выходной емкости Qoss и меньшую энергию Eoff, рассеиваемую на кристалле при выключении транзистора.

Сочетание этих характеристик делает транзисторы CoolMOS™ с диодами CFD7 прекрасной основой для построения высококачественных преобразователей с повышенными значениями КПД и удельной мощности, силовая часть которых способна работать в режимах как жестких, так и мягких переключений. Однако при выборе данных приборов все же следует помнить, что максимальный эффект от их использования будет в резонансных схемах, ведь именно там повышенные характеристики антипараллельных диодов наилучшим образом скажутся как на электрических, так и на энергетических характеристиках устройств и систем электропитания.

Исходный материал

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
IPW60R031CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R170CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R070CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R018CFD7XKSA1 (INFIN)
IPB60R040CFD7ATMA1 (INFIN)
IPB60R105CFD7ATMA1 (INFIN)
IPB60R210CFD7ATMA1 (INFIN)
IPB60R055CFD7ATMA1 (INFIN)
IPD60R145CFD7ATMA1 (INFIN)
IPD60R360CFD7ATMA1 (INFIN)
IPD60R170CFD7ATMA1 (INFIN)
IPD60R210CFD7ATMA1 (INFIN)
IPL60R095CFD7AUMA1 (INFIN)
IPL60R185CFD7AUMA1 (INFIN)
IPL60R115CFD7AUMA1 (INFIN)
IPL60R225CFD7AUMA1 (INFIN)
IPP60R170CFD7XKSA1 (INFIN)
IPP60R090CFD7XKSA1 (INFIN)
IPP60R105CFD7XKSA1 (INFIN)
IPP60R210CFD7XKSA1 (INFIN)