Каждой топологии – своя технология. Часть 1

20 июля

телекоммуникацииуправление питаниеммедициналабораторные приборыInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETAC-DCККМ

Алексей Гребенников (г. Москва)

Важнейшими элементами силовых цепей являются полевые транзисторы. Представляем обзор трех семейств полевых транзисторов производства компании Infineon: кремниевых полевых транзисторов CoolMOS, карбид-кремниевых транзисторов CoolSiC и галлий-нитридных транзисторов CoolGaN.

Компания Infineon в течение последних двадцати лет активно развивает три технологии изготовления полевых транзисторов: CoolMOS, CoolSiC, и CoolGaN. Важнейшим показателем эффективности полевого транзистора является максимальная величина сопротивления «сток-исток» открытого канала на единицу тока: RDS(on), max × A. Над уменьшением этой величины и, соответственно, над увеличением эффективности транзистора работают ученые и специалисты отрасли в течение нескольких последних десятилетий. На рисунке 1 представлено сравнение данного параметра для разных технологий изготовления полевых транзисторов.

Рис. 1. Сравнительная характеристика сопротивления «сток-исток» открытого канала

Рис. 1. Сравнительная характеристика сопротивления «сток-исток» открытого канала

Транзисторы CoolMOS C3, разработанные почти 20 лет назад, обладали удельным сопротивлением RDS(on) × A порядка 3 Ом на мм2. По мере развития технологии эта величина уменьшалась, и для поколения CoolMOS C7 достигла 0,8 Ом × мм2. Согласно исследованиям, проведенным D.Disney & J.Dolny в 2008 году, пределом технологии CoolMOS является величина сопротивления RDS(on) = 0,5 Ом × мм2. Однако современные исследования показывают, что с помощью новых прогрессивных технологий можно значительно уменьшить величину этого сопротивления. Так, с помощью технологий GaN и SiC MOSFET можно получить очень малые значения RDS(on), потенциально меньше 0,01 Ом × мм2.

Сравнение технологий

В таблице 1 показаны сравнительные характеристики, позволяющие оценить основные качества трех вышеупомянутых технологий

Таблица 1. Сравнительные характеристики технологий CoolMOS, CoolGaN, CoolSiC

Устройство V(BR)DSS, В RDS(on), тип., Ом RDS(on) × Qoss,
мОм × мкКл
RDS(on) × Qrr, мОм × мкКл RDS(on) × Eoss, мОм × мкДж RDS(on) × Qg, мОм × нКл VF @ 15A, В
CoolMOS™ C7 600 52 18,3 312 421 3536 0,85
CoolMOS™ CFD7 600 57 19 32,5 439 3819 1
CoolGaN™ Gen1 600 55 2,3 0 352 226 2,7/7,7
CoolSiC™ Gen1 650 50 3,9 5 582 1500 4

Для того чтобы сравнение было объективным, выбраны транзисторы с похожими рабочими напряжениями V(BR)DSS и сопротивлениями RDS(on).

Величина RDS(on) × Qoss позволяет оценить мертвое время и резонансный ток, а также возможность применения устройства в высокочастотных цепях, что важно для увеличения эффективности дизайна.

RDS(on) × Qrr показывает возможность использования устройства в высоконагруженных цепях с повторяющимися коммутациями, таких как выходные двухтранзисторные каскады в режимах непрерывной проводимости.

RDS(on) * Eoss является хорошим критерием оценки потерь на переключение в высоконагруженных цепях, которыми являются все режимы непрерывной проводимости.

RDS(on) × Qg позволяет оценить потери в цепях управления транзистором.

VF – прямое напряжение, которое показывает эффективность внутреннего диода в кремниевом и карбид-кремниевом устройствах и перепада напряжения галлий-нитридных устройств в периоды мертвого времени. Мертвое время оказывает значительное влияние на общую эффективность системы.

Для транзисторов CoolMOS и CoolSiC используются стандартные цепи управления, однако в случае устройств CoolSiC необходимо учитывать, что сопротивление RDS(on) изменяется в соответствии с напряжением «затвор-исток». Чем выше это напряжение, тем ниже RDS(on). В связи с этим рекомендуется использовать транзисторы CoolSiC с управляющим напряжением в диапазоне 0…18 В, обеспечивающим лучшую передаточную характеристику и минимальное значение RDS(on). Это выше, чем стандартное напряжение управления транзисторами серии CoolMOS – 15 В. При этом для цепей управления рекомендуется использовать порог защиты от пониженного напряжения питания (UVLO) 13 В, что выше, чем для устройств CoolMOS.

Устройства CoolGaN являются транзисторами с инжекционным затвором (GIT), и поэтому управляются током, а не напряжением, как транзисторы CoolSiC и CoolMOS. Иначе говоря, для транзисторов CoolGaN, кроме включающих и выключающих резисторов, требуется внешняя RC-цепочка. Существует два способа управления устройствами CoolGaN (рисунок 2).

Рис. 2. Способы управления транзисторами CoolGaN: а) использование драйвера 1EDI; б) использование драйвера 1EDF56

Рис. 2. Способы управления транзисторами CoolGaN: а) использование драйвера 1EDI; б) использование драйвера 1EDF56

Первый вариант – с применением драйвера 1EDIx производства компании Infineon, который предполагает использование отдельных цепей для положительного и отрицательного напряжений с целью безопасного включения и выключения устройства. Второй вариант – с применением драйвера 1EDF56x производства Infineon, специально предназначенного для управления галлий-нитридными транзисторами. В этом случае используется один блок питания с положительным напряжением. Генерация необходимых положительных и отрицательных импульсов для управления транзистором CoolGaN обеспечивается внутренними цепями драйвера. Также этот тип драйвера минимизирует влияние падения напряжения на внутреннем диоде на работу схемы.

На рисунке 3 показано сравнение областей безопасных режимов работы (SOA) для устройств CoolMOS и CoolGaN.

Рис. 3. Области безопасных режимов работы для устройств: а) CoolMOS; б) CoolGaN

Рис. 3. Области безопасных режимов работы для устройств: а) CoolMOS; б) CoolGaN

Диаграмма области безопасных режимов работы для устройств CoolSiC аналогична диаграмме для семейства CoolMOS, поэтому на рисунке 3 не приведена.

Диаграмма на рисунке 3а показывает, какой максимальный импульсный ток может выдержать устройство CoolMOS при различных величинах напряжения «сток-исток», длительности импульса и определенной температуре корпуса. Как видно из этой диаграммы, при длительности импульса в 1 мкс и напряжении «сток-исток» 400 В устройство выдерживает ток порядка 30 А. При номинальном рабочем напряжении 600 В и длительности импульса 1 мкс устройство способно выдержать ток порядка 20 А.

Поведение устройств CoolGaN значительно отличается – устройство способно выдержать максимальный ток, равный 35 А при напряжении «сток-исток» 400 В и длительности импульса максимум 20 нс. При напряжениях выше 400 В максимальная длительность импульса быстро падает. Фактически, устройство не может работать при напряжении «сток-исток» 600 В.

Важной характеристикой технологии производства транзисторов является зависимость сопротивления RDS(on) от температуры перехода. Эта зависимость показана на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость RDS(on) от температуры перехода Tj

Рис. 4. Зависимость RDS(on) от температуры перехода Tj

Как показано на рисунке 4, значительным преимуществом при высоких температурах обладают устройства CoolSiC, обеспечивающие меньшую зависимость потерь проводимости от температуры. Это эквивалентно использованию устройств с большим RDS(on) для обеспечения той же номинальной мощности, что и для двух других технологий.

Важным аспектом использования данной технологии являются доступные корпуса, так как именно он в конечном счете и определяют применимость технологии для определенных условий. Транзисторы серии CoolMOS представлены на рынке уже около 20 лет, поэтому они обладают наиболее широкой номенклатурой корпусов – более 18 видов, включая корпуса для поверхностного монтажа и для монтажа в сквозные отверстия. Корпуса для поверхностного монтажа доступны с несколькими вариантами охлаждения, что позволяет применять их для широкого круга приложений, где в фокусе находится высокая производительность. Кроме того, планируется дальнейшее исследование устройств для возможности улучшения существующих конструктивов.

Устройства CoolGaN предназначены для использования в высокочастотных цепях и очень чувствительны к влиянию паразитных компонентов, поэтому они требуют особо тщательного проектирования, и для них предпочтительно использование SMD-корпусов c малыми значениями паразитной индуктивности выводов. Первое поколение устройств CoolGaN было выпущено в корпусах типа DFN 8х8 мм, TOLL и DSO-020 с возможностью охлаждения через нижнюю либо верхнюю части корпуса. Корпус устройств CoolGaN имеет определяющее значение для обеспечения оптимальной производительности и максимизации теплоотведения, поэтому компания Infineon постоянно проводит исследования новых типов корпусов с поверхностным монтажом, таких как QDPAK с теплоотводом в верхней части корпуса и DSO-12.

Устройства CoolSiC достаточно просты в применении. Эти устройства особенно хороши для высокотемпературных приложений. Большие корпуса для монтажа в сквозные отверстия в совокупности с хорошими температурными свойствами карбида кремния помогают хорошо рассеивать тепло. По этой причине первое поколение устройств CoolSiC планируется выпускать в корпусах TO-247 c тремя и четырьмя выводами. Корпус с четырьмя выводами обладает меньшей чувствительностью к паразитным наводкам и поэтому лучше подходит для высокочастотных приложений.

На рисунке 5 показаны возможные типы корпусов для компонентов, созданных по всем рассмотренным технологиям.

Рис. 5. Варианты корпусов для устройств CoolMOS, CoolGaN и CoolSiC

Рис. 5. Варианты корпусов для устройств CoolMOS, CoolGaN и CoolSiC

Энергоэффективность блоков питания

Для оценки энергоэффективности блоков питания используется так называемый стандарт 80 PLUS. В соответствие с этим стандартом сертифицируются блоки питания с КПД не менее 80% при нагрузке 20%, 50%, 100%, а также с коэффициентом мощности не менее 0,8 при  нагрузке 100%. Внутри системы также существует градация, самый высокий уровень – 80 PLUS Titanium, обеспечивающий коэффициент мощности 0,95 при нагрузке 50% и КПД не менее 91% при нагрузке 100% и напряжении 230 В.

При проектировании блоков питания и основных каскадов, таких, к примеру, как каскад ККМ, используется несколько основных топологий. Классическая топология ККМ, изображенная на рисунке 6, наиболее широко используется для серверов, телекоммуникационного оборудования и промышленных блоков питания.

Рис. 6. Классическая топология ККМ (Boost PFC)

Рис. 6. Классическая топология ККМ (Boost PFC)

Эта топология наиболее просто реализуется и более привлекательна по цене по сравнению с другими. Но ее недостатком являются значительные потери мощности в диодном выпрямительном мосте, что влечет за собой падение КПД. Поэтому блоки питания с такой схемой ККМ обладают классом энергоэффективности не выше 80 PLUS Platinum. Для достижения максимального уровня 80 PLUS Titanium в качестве выпрямительного каскада можно рассмотреть активный выпрямитель, как это показано на рисунке 7. У полевых транзисторов в открытом состоянии малое сопротивление канала, что позволит уменьшить потери проводимости данного каскада.

Рис. 7. Способ увеличения энергоэффективности классической топологии ККМ (Boost PFC)

Рис. 7. Способ увеличения энергоэффективности классической топологии ККМ (Boost PFC)

Для схемы на основе кремниевых транзисторов, изображенной на рисунке 7, рекомендуется использование компонентов из таблицы 2.

Таблица 2. Список компонентов для классической топологии ККМ (Boost) на основе кремниевых транзисторов

Устройство Количество
CoolMOSTM P7 80 мВ – TO247 1
8A SiC-диод – TO220 1
CoolMOSTM S7 65 мВ – TOLL 4
Драйвер затвора 1EDN7511B 1
Драйвер затвора 2EDN7424F 1
Драйвер затвора 2EDF7175F 1
Индуктор 1
Конденсатор 680 мкФ 1

Двухфазная топология каскада ККМ (Interleaved PFC), показанная на рисунке 8, наряду с классической топологией получила широкое распространение в серверах, телекоммуникационном оборудовании и в сфере создания промышленных блоков питания.

Рис. 8. Двухфазная схема ККМ (Interleaved PFC)

Рис. 8. Двухфазная схема ККМ (Interleaved PFC)

Этот вид топологии обеспечивает энергоэффективность уровня 80 PLUS Platinum.

На рисунке 9 показана топология ККМ на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost PFC), которая обеспечивает энергоэффективность уровня 80 PLUS Titanium.

Рис. 9. Топология ККМ на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost)

Рис. 9. Топология ККМ на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost)

Эта топология широко используется для устройств с большой потребляемой мощностью, позволяя проектировать высокоэффективные блоки питания и выпрямители. Она проста в применении, но обладает одним недостатком – высокой плотностью энергии из-за использования двух дросселей ККМ.

Для схемы на основе кремниевых транзисторов, изображенной на рисунке 9, рекомендуется использование компонентов из таблицы 3.

Таблица 3. Список компонентов для топологии двойного усиления на основе кремниевых транзисторов

Устройство Количество
CoolMOSTM P7 80 мВ TO247 2
8A SiC-диод TO220 2
Индуктор 2
Конденсатор 680 мкФ 1
Драйвер затвора 2EDN7524F 1

Ещё одна очень эффективная и простая топология, позволяющая получать энергоэффективность уровня 80 PLUS Titanium – H4, или Н-полный мост. Схема этой топологии показана на рисунке 10.

Рис. 10. Топология Н4 (H-полный мост)

Рис. 10. Топология Н4 (H-полный мост)

Для схемы на основе кремниевых транзисторов, представленной на рисунке 10, рекомендуется использование компонентов из таблицы 4.

Таблица 4. Список компонентов для топологии H4 на основе кремниевых транзисторов

Устройство Количество
CoolMOSTM P7 60 мВ TO247 2
8A SiC-диод TO220 2
Индуктор 1
Конденсатор 680 мкФ 1
Драйвер затвора 2EDF7275F 1

Специально для широкозонных полупроводников, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), работающих в режиме непрерывных токов, была разработана топология «полный мост типа Totem-Pole». Эта топология, схема которой показана на рисунке 11, позволяет достигать энергоэффективности уровня 80 PLUS Titanium.

Рис. 11. Топология полный мост (Totem-Pole PFC) в режиме непрерывных токов (CCM)

Рис. 11. Топология полный мост (Totem-Pole PFC) в режиме непрерывных токов (CCM)

Топология полного моста типа Totem-pole схожа со схемой полного моста H4, однако здесь используется один дроссель ККМ, что дает, в конечном счете, выигрыш в плотности мощности преобразователя. В сочетании с использованием кремниевых устройств в обратных цепях эта топология обеспечивает наивысшую энергоэффективность по сравнению с предыдущими вариантами.

Для схемы на основе карбид-кремниевых транзисторов, изображенной на рисунке 11, рекомендуется применение компонентов из таблицы 5, а на основе галлий-нитридных транзисторов – из таблицы 6.

Таблица 5. Список компонентов для топологии ККМ «полный мост Totem-Pole» в режиме CCM на основе карбид-кремниевых транзисторов серии CoolMOS

Устройство Количество
145 мОм SiC MOSFET TO247 2
Индуктор 1
Конденсатор 680 мкФ 1
Драйвер затвора 2EDF7275F 1

Таблица 6. Список компонентов для топологии ККМ «полный мост Totem-Pole» в режиме CCM на основе галлий-нитридных транзисторов серии CoolGaN

Устройство Количество
70 мОм GaN DSO TSC 2
Индуктор 1
Конденсатор 680 мкФ 1
Драйвер затвора 1EDF5673F 2

Топология ККМ «полный мост Totem-Pole» также может быть реализована на кремниевых полевых транзисторах (Si), как это показано на рисунке 12. Однако в этом случае требуется специальная технология управления, называемая «треугольным режимом проводимости» (TCM), что позволяет перейти в режим переключения при нулевом напряжении (ZVS).

Рис. 12. Топология ККМ полный мост (Totem-Pole PFC) в треугольном режиме проводимости (TCM)

Рис. 12. Топология ККМ полный мост (Totem-Pole PFC), работающая в треугольном режиме проводимости (TCM)

Эта топология также обеспечивает энергоэффективность уровня 80 PLUS Titanium. Для преобразователей на базе кремниевых силовых полупроводниковых приборов она является единственной, позволяющей получить энергоэффективность, сравнимую с топологией ККМ «полный мост Totem-Pole», работающей в режиме непрерывного тока (CCM) и построенной на базе технологий SiC и GaN.

В схеме преобразователя, построенного по топологии ККМ «полный мост Totem-Pole», в режиме TCM через ключ протекает отрицательный ток, который обуславливает две особенности данной топологии:

  • высокую пульсацию токов индуктора ККМ, требующую минимум две фазы;
  • необходимость применения синхронного выпрямителя.

Для схемы, построенной на основе кремниевых транзисторов (рисунок 12), рекомендуется использование компонентов из таблицы 7.

Таблица 7. Список компонентов для топологии ККМ «полный мост Totem-pole» в режиме TCM на основе кремниевых транзисторов

Устройство Количество
CFD7 105 мОм TO247 4
CoolMOSTM S7 65 мВ TOLL 2
Драйвер CoolMOSTM LF 2EDF7175F 1
Драйвер затвора 2EDF7275F 2
Индуктор 2
Конденсатор 480 мкФ 1

На рисунке 13 показано сравнение КПД различных топологий для мощности 1 кВт при входном напряжении 115 В.

Рис. 13. КПД для мощности 1 кВт и напряжения 115 В

Рис. 13. КПД различных топологий для ККМ мощностью 1 кВт при входном напряжении 115 В

Звездочкой отмечено минимальное КПД при нагрузке 50% для соответствия уровню энергоэффективности 80 PLUS Titanium. Как видно из рисунка, все топологии, кроме классической без выпрямителя, соответствуют этому уровню.

Для топологии ККМ типа HB Totem-Pole PFC, работающей в режиме непрерывных токов CCM, выбор различных RDS(on) для устройств SiC и GaN обусловлен различными температурными характеристиками устройств. Различие КПД для нагрузок 50% и 100% для топологии типа Totem Pole в режиме TCM обусловлено использованием двухфазного напряжения.

Как было сказано ранее, топология «полный мост Н4» имеет довольно простую схемотехнику, она не требует мостового диодного (активного) выпрямителя на входе и позволяет получить достаточно высокий КПД. При этом следует учитывать, что два каскада, включенных последовательно, фактически представляют собой один каскад с удвоенным RDS(on). Экспериментирование со схемами подключения позволяет получить оптимальный результат.

Для топологии на базе двойного повышающего преобразователя (Dual Boost), так же как и для топологии «полный мост Totem-Pole PFC», в режиме TCM различие в КПД для разных величин нагрузки обусловлено использованием двухфазного напряжения.

На рисунке 14 показано сравнение КПД различных топологий для мощности 1 кВт при входном напряжении 230 В.

Рис. 14. КПД для мощности 1 кВт и напряжения 230 В

Рис. 14. КПД различных топологий для ККМ мощностью 1 кВт при входном напряжении 230 В

Как показано на рисунке 14, для входного напряжения 230 В все топологии соответствуют уровню энергоэффективности 80 PLUS Titanium, даже классическая повышающая топология (Boost) без выпрямителя.

Заключение

Группа с широкозонными полупроводниками в настоящее время включает в себя устройства на базе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Эти устройства уже получили широкое распространение в силовой электронике за счет улучшенных характеристик по сравнению с обычными кремниевыми (Si) транзисторами. Технология производства SiC и GaN продолжает активно развиваться, в отличие от технологии на базе кремния, которая в настоящее время вышла на определенное плато.

Транзисторы GaN в первую очередь предназначены для блоков питания в области телекоммуникации, серверов, зарядных устройств, в том числе беспроводных, а также в аудиоусилителях класса D. Исследуется возможность применения для источников бесперебойного питания, аккумуляторов, солнечной энергетики, зарядных устройств для электромобилей, ноутбуков, ЖК-телевизоров и других устройств.

Благодаря лучшим по сравнению с IGBT характеристикам SiC силовые полупроводниковые приборы на базе SiC начинают активно вытеснять IGBT-технологию во всех сферах, где она ранее применялась. Например, в сравнении с IGBT у SiC-компонентов потери на переключение уже сейчас примерно на порядок ниже. Теоретически эти потери в устройствах SiC и/или GaN могут быть снижены до бесконечно малого значения, что в принципе невыполнимо для устройств IGBT.

С появлением новых типов устройств разрабатываются новые топологии, которые ранее невозможно было применить из-за технических ограничений кремниевых силовых полупроводниковых приборов. Например, топология «полный мост Totem Pole» ранее вообще не рассматривалась для устройств силовой электроники из-за работы схемы в режиме жесткого переключения. А устройства GaN позволили с помощью этой топологии получить силовые устройства с очень высоким уровнем эффективности.

Следует отметить, что устройства на базе кремния в ближайшей перспективе продолжат активно использоваться за счет уже существующей огромной производственной базы и выгодной стоимости.

Однако активное развитие технологий производства устройств на базе широкозонных полупроводников в ближайшей перспективе, – возможно, уже в течение 5 лет, – должно привести к снижению стоимости таких устройств за счет повсеместного распространения технологии и расширения производства. Это сделает устройства на базе карбида кремния и нитрида галлия еще более привлекательными для применения в преобразовательной технике.

•••

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
1EDI05I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12SVXUMA1 (INFIN)
1EDI20N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI30I12MFXUMA1 (INFIN)
1EDI60I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI60N12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI40I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDI20I12AFXUMA1 (INFIN)
1EDF5673FXUMA1 (INFIN)
1EDF5673KXUMA1 (INFIN)
2EDF7275FXUMA1 (INFIN)
2EDF7175FXUMA1 (INFIN)