Сорок лет инноваций: как полевые транзисторы Infineon определяли развитие силовой электроники

11 ноября

телекоммуникациисистемы безопасноститерминалы продажавтомобильная электроникаучёт ресурсовсветотехникауправление питаниемуправление двигателеммедицинапотребительская электроникаInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFETAC-DCLEDККМDC-DCMotor Drive

Ашита Мирчандани, Бастиан Ланг (Infineon Technologies)

Специалисты компании Infineon рассказывают о сорокалетней истории технологических инноваций, последовавшей за созданием первого полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET), и на примере последних новшеств, касающихся расположения кристалла относительно печатной платы, показывают, как незначительные на первый взгляд изменения способны кардинально поменять характеристики прибора и разрабатываемых на его основе систем.

За последние пятьдесят лет наш мир изменился до неузнаваемости. За этот период в нем успело появиться, исчезнуть и снова появиться множество экономических, социальных и технологических направлений, каждое из которых, в той или иной степени, меняло нашу жизнь. Однако что бы ни происходило вокруг, одна особенность нашего мира до сих пор остается неизменной – технологии в нем все так же играют одну из главных ролей.

Сегодня наши мысли заняты электромобилями, интернетом вещей, мобильной связью по стандарту 5G и многими другими высокотехнологичными устройствами и системами. И это не удивительно, ведь в самое ближайшее время они станут неотъемлемой частью нашей жизни. Однако вся эта техника никогда не будет создана, если предварительно не будут решены вопросы энергоснабжения, лежащие в основе всего электронного оборудования. Поэтому уже сегодня инженеры в области силовой электроники ежедневно работают над решением проблем, создаваемых приложениями будущего, разрабатывая устройства и системы электропитания нового поколения, имеющие оптимизированную архитектуру, лучшую энергоэффективность, повышенную удельную мощность или более высокое выходное напряжение. Если внимательно проанализировать любой преобразовательный или коммутирующий узел системы электропитания современного устройства, то окажется, что большинство его ключевых характеристик, в том числе и надежность, зависят от одной микроскопической полупроводниковой структуры, функция которой заключается лишь в периодическом соединении между собой некоторых участков электрической схемы.

В авангарде инноваций

Первый полевой транзистор с изолированным затвором (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor – MOSFET) компания Infineon создала более сорока лет назад, и с тех пор она не покидает первые строчки списка ведущих компаний, работающих в области силовой электроники, активно помогая инженерам всего мира в решении проблем, возникающих перед ними. И хоть за это время конечные цели компании, возможно, изменились до неузнаваемости, ее общий новаторский дух, проявляющийся во всех направлениях ее деятельности, от технологий производства полупроводниковых элементов до дизайна печатной платы конечного устройства, остался неизменным.

Анализируя историю силовых MOSFET, можно заметить, что многие достижения компании Infineon в свое время не только становились своеобразной опорной вехой в развитии этих полупроводниковых приборов, но и способствовали их массовому использованию в преобразовательной технике. Достаточно вспомнить первые MOSFET с гексагональной структурой, выпущенные в 1979 году, или появление в 1995 году четырехмасочной самосовмещающейся технологии, значительно уменьшившей стоимость этих изделий одновременно с повышением их качества. Эта технология позволила не только изготавливать MOSFET быстрее по сравнению с существовавшим в то время шестиступенчатым производственным процессом, но и уменьшить размер канала почти на 40%, что положительно сказалось на большинстве параметров транзисторов этого типа, в первую очередь – на сопротивлении канала в открытом состоянии и уровне электрической прочности.

Вскоре после этого были представлены первые в мире микросхемы FETKY, содержащие в одном корпусе MOSFET и диод Шоттки, использование которых позволило уменьшить потери и повысить удельную мощность преобразователей постоянного напряжения. Чуть позже, в 1999 году, на основе собственного опыта производства компания Infineon разработала полосковую планарную технологию с полностью самосовмещающимся технологическим процессом, позволившую создавать планарные структуры высокой плотности, использование которых привело к рекордному уменьшению сопротивления канала с одновременным улучшением динамических характеристик транзисторов. С этого момента MOSFET Infineon имеют лучшие в отрасли показатели надежности при минимальном времени производственного цикла. В том же году было представлено семейство Trench MOSFET, представители которого отличались наибольшей удельной плотностью и наименьшим сопротивлением канала. Эта линейка изначально была ориентирована на новейшие высокотехнологичные продукты, например, на мобильные телефоны, портативные компьютеры и другую носимую технику, позволив появиться на рынке моделям с эксплуатационными характеристиками, недостижимыми при использовании преобразователей, созданными на элементной базе других производителей.

В 2000 году были разработаны первые MOSFET с ультрамалыми динамическими потерями, изготовленные по технологии OptiMOS, использование которых позволило еще больше повысить КПД и увеличить удельную мощность преобразователей на их основе. Развитие этого семейства продолжается до сих пор, и сейчас на рынке можно приобрести приборы, изготовленные уже по шестой версии этой технологии. Представители семейства OptiMOS отличаются удачной комбинацией низкого сопротивления канала и превосходных динамических характеристик (рисунок 1). Параметры транзисторов, изготовленных по этой технологии, оптимизированы для многих целевых приложений, в числе которых импульсные источники питания для персональных компьютеров и серверов, проводные и беспроводные зарядные устройства, в том числе станции для быстрого заряда, схемы резервирования и многие другие. Кроме этого, в 2012 году было выпущено семейство StrongIRFET, оптимизированное для высоконадежных низкочастотных приложений, представители которого имеют малое сопротивление канала и большой максимально допустимый ток.

Рис. 1. Ключевые технологии, использованные при создании транзисторов семейств StrongIRFET и OptiMOS

Рис. 1. Ключевые технологии, использованные при создании транзисторов семейств StrongIRFET и OptiMOS

В процессе работы над улучшением MOSFET очень скоро стало ясно, что характеристики транзистора в значительной мере зависят от параметров корпуса, в который устанавливается кристалл. Поэтому работы над улучшением корпусов шли параллельно работам над улучшением самих кристаллов. В 1993 году был представлен первый силовой транзистор в корпусе SOT-223, предназначенный для поверхностного монтажа. В 2002 году был получен патент на корпус DirectFET с совершенно новым на то время подходом к организации внутренних и внешних соединений. Использование корпусов этого типа позволило значительно уменьшить величины паразитных активных и индуктивных сопротивлений в силовых цепях преобразователя, а это, в свою очередь, позволило в очередной раз увеличить их КПД, но уже не только за счет оптимизации структуры полупроводника, а еще и вследствие пересмотра подходов к компоновке элементов всей системы. В 2013 году был разработан корпус TO-Leadless, позволивший пропускать через силовой транзистор большие токи, при этом размеры этих приборов, в первую очередь – высота, были значительно меньше, чем у MOSFET в корпусах D2PAK, традиционно используемых для сильноточных приборов. И совсем недавно компания Infineon выпустила новое семейство транзисторов OptiMOS в корпусах Source-Down PQFN с размерами 3,3 x 3,3 мм, в которых кристалл транзистора монтируется в «перевернутом» положении – истоком к печатной плате, что, опять же, позволило уменьшить сопротивление канала и улучшить тепловые характеристики прибора.

Рис. 2. Основные характеристики корпусов транзисторов семейств StrongIRFET и OptiMOS

Рис. 2. Основные характеристики корпусов транзисторов семейств StrongIRFET и OptiMOS

Такой подход к расположению кристалла до сих пор вызывает вопросы даже у опытных специалистов в области силовой электроники, поэтому давайте рассмотрим более подробно, зачем специалистам Infineon пришлось делать очередной переворот (теперь уже в прямом смысле этого слова) в области производства MOSFET.

Влияние расположения кристалла на характеристики системы

В качестве примера рассмотрим облачные хранилища с использованием искусственного интеллекта, количество которых увеличивается с каждым годом. Одна из основных проблем, с которыми сталкиваются производители подобных систем, заключается в обеспечении требуемого уровня удельной мощности – когда через ограниченный объем требуется пропустить достаточно большое количество энергии.

Одним из возможных вариантов решения этой задачи является повышение напряжения основной питающей шины до 48 В, что позволяет уменьшить потери в распределительной сети. Однако при этом возникает потребность в дополнительном понижении этого напряжения в непосредственной близости от прикладных микросхем (микропроцессоров или ASICs). На сегодняшний день эту задачу можно эффективно решить с помощью гибридных резонансных преобразователей постоянного напряжения с переключаемым конденсатором (Hybrid Switched Capacitor (HSC) Resonant DC/DC Converter), имеющих больший потенциал для обеспечения требуемых уровней КПД и удельной мощности, чем существующие решения. Если же в этой схеме в качестве силовых ключей использовать транзисторы в корпусах Source-Down PQFN, то эффективность такой системы только возрастет.

Это связано с тем, что корпуса Source-Down при аналогичных размерах имеют ряд преимуществ по сравнению с корпусами других типов, основными из которых являются:

  • уменьшение на 30% сопротивления канала в открытом состоянии, что приводит к уменьшению величины статических потерь;
  • уменьшение паразитных параметров корпуса, что приводит к уменьшению динамических потерь;
  • меньшее значение показателя качества (Figure Of Merit, FOM);
  • меньшее значение теплового сопротивления «кристалл-корпус» RthJC;
  • наличие в нижней части корпуса вскрытой площадки для отвода тепла, связанной с истоком, что позволяет использовать печатный проводник общего провода в качества теплоотвода.

Специалисты Infineon провели сравнительный анализ двух одинаковых 48-вольтовых преобразователей с коэффициентом передачи напряжения 8:1, один из которых реализован на транзисторах в стандартных корпусах Drain-Down (BSZ011NE2LS5I), у которых сток расположен со стороны, обращенной к печатной плате, а второй – на новых приборах Source-Down (IQE006NE2LM5), имеющих противоположную ориентацию кристалла. Размеры и тип корпусов обоих приборов практически одинаковы, однако из-за более эффективного расположения кристалла переходное тепловое сопротивление «кристалл-корпус» транзисторов IQE006NE2LM5 почти в два раза меньше (рисунок 2). Это приводит к лучшему охлаждению данных транзисторов и, как следствие, к меньшему их нагреву, что хорошо видно на термограммах этих плат (рисунок 3). Анализ термограмм показывает, что при прочих одинаковых условиях температура корпусов транзисторов IQE006NE2LM5 на 9°C меньше, чем у транзисторов BSZ011NE2LS5I. Этому способствуют и лучшие характеристики новых приборов, в частности – меньшее сопротивление канала, что приводит к уменьшению потерь при преобразовании и, как следствие, к увеличению удельной мощности системы в целом (рисунок 4).

Рис. 3. Термограммы 48-вольтовых HSC-преобразователей мощностью 450 Вт, реализованных на транзисторах BSZ011NE2LS5I (слева) и IQE006NE2LM5 (справа) при температуре окружающей среды 24°C

Рис. 3. Термограммы 48-вольтовых HSC-преобразователей мощностью 450 Вт, реализованных на транзисторах BSZ011NE2LS5I (слева) и IQE006NE2LM5 (справа) при температуре окружающей среды 24°C

Рис. 4. Зависимости КПД и мощности потерь (включая потери во вспомогательных узлах) 48-вольтовых HSC-преобразователей мощностью 450 Вт, реализованных на транзисторах BSZ011NE2LS5I и IQE006NE2LM5

Рис. 4. Зависимости КПД и мощности потерь (включая потери во вспомогательных узлах) 48-вольтовых HSC-преобразователей мощностью 450 Вт, реализованных на транзисторах BSZ011NE2LS5I и IQE006NE2LM5

Заключение

Новые направления развития современной техники всегда будут создавать новые проблемы и для производителей полупроводниковых компонентов, и для специалистов, работающих в области силовой электроники. Поэтому наличие компаний, подобных Infineon, уже более сорока лет непрерывно работающей над оптимизацией как собственной продукции, так и систем своих клиентов, является крайне важным: ведь без таких компаний создать простое, безопасное и экологически чистое будущее вряд ли получится.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

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
BSZ011NE2LS5IATMA1 (INFIN)
BSZ010NE2LS5ATMA1 (INFIN)
BSZ018N04LS6ATMA1 (INFIN)
BSZ013NE2LS5IATMA1 (INFIN)
BSZ014NE2LS5IFATMA1 (INFIN)
BSZ017NE2LS5IATMA1 (INFIN)
IQE006NE2LM5ATMA1 (INFIN)
IQE006NE2LM5CGATMA1 (INFIN)