Транзисторы CoolMOS S7 для твердотельных реле нового поколения

22 февраля

автомобильная электроникапотребительская электроникауниверсальное применениеInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFETПромавтоматика

Стефан Люкассер (Infineon)

Разработанная компанией Infineon технология изготовления полевых транзисторов с суперпереходом позволила создать семейство MOSFET CoolMOS S7, которое, в свою очередь, привело к появлению на рынке малогабаритных, дешевых и надежных твердотельных реле постоянного и переменного тока.

Несмотря на то, что электромеханические реле разработаны более ста лет назад, они все еще остаются одними из самых распространенных коммутационных приборов и активно используются в наши дни для управления нагрузками как постоянного, так и переменного тока. Ключевыми преимуществами электромеханических реле являются простота и повышенная нагрузочная способность, однако низкая надежность и ограниченный срок службы заставляют многих производителей электронной техники искать альтернативные решения, не содержащие механических контактов.

Твердотельные реле выполняют ту же функцию, однако управление нагрузками в них осуществляются с помощью мощных полупроводниковых приборов. Твердотельные реле для цепей переменного тока обычно строятся на основе симисторов (Triode For Alternating Current – TRIAC), в то время как в цепях постоянного тока основными коммутирующими приборами являются полевые транзисторы с изолированным затвором (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor MOSFET). Использование полупроводниковых приборов позволяет уменьшить размеры, увеличить надежность и срок службы реле, однако из-за ограниченной скорости охлаждения кристаллов они имеют достаточно жесткие ограничения на величины коммутируемого тока и рассеиваемой мощности. Кроме этого, твердотельные реле обычно намного дороже своих электромеханических аналогов.

Основным недостатком симисторов является ограниченная управляемость. Большинство твердотельных реле на основе симисторов могут только включать коммутируемую нагрузку по управляющему сигналу, причем происходить это может как в произвольные моменты времени, так и в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Выключение симистора происходит автоматически в момент достижения коммутируемым током нулевого значения – при ненулевом токе выключить большинство приборов этого типа невозможно. Кроме этого, симисторы имеют фиксированное падение напряжения между силовыми электродами, поэтому уровень выделения тепла на их кристаллах находится в диапазоне 0,6…1 Вт на каждый ампер коммутируемого тока.

Для твердотельных реле на основе полевых транзисторов обычно используются низкочастотные приборы с метрикой качества (Figure Of Merit, FOM) RDS(on)∙A, равной 2…3 Ом∙мм², что позволяет увеличить их нагрузочную способность за счет применения более дорогих кристаллов большей площади. Твердотельные реле на основе MOSFET могут использоваться в цепях как постоянного, так и переменного тока. Однако характеристики твердотельных реле переменного тока из-за необходимости использования двух встречно-последовательно включенных MOSFET обычно хуже, чем у их однотранзисторных аналогов, способных коммутировать нагрузки лишь при одной полярности питающего напряжения.

В этой статье рассмотрены особенности 600-вольтовых полевых транзисторов семейства CoolMOS S7, разработанных компанией Infineon специально для недорогих коммутаторов. Использование этой элементной базы позволяет создавать твердотельные реле постоянного и переменного тока с рабочим напряжением до 250 В, способные выдерживать такие же токовые перегрузки, как и традиционные электромеханические коммутаторы с аналогичной установочной мощностью. Однако при этом коммутаторы на основе транзисторов CoolMOS S7, в отличие от электромеханических реле, имеют ряд дополнительных преимуществ, основными из которых являются:

  • малые размеры, за счет использования транзисторов в компактных корпусах, занимающих минимум места на печатной плате, особенно для реле переменного тока, в которых должны использоваться два MOSFET;
  • полная управляемость, позволяющая реализовать сложные методы управления, например, фазоимпульсный способ регулировки выходного напряжения, коммутацию при нулевом напряжении или токе, в том числе и возможность индивидуального управления каждым транзистором двухтранзисторного реле (для реле переменного тока).
  • повышенная надежность, позволяющая использовать MOSFET CoolMOS S7 не только в качестве коммутаторов, но и в качестве элементов защиты от перегрузки по току, и отказаться от использования плавких предохранителей.

Особенности MOSFET CoolMOS S7

Технология суперперехода (Superjunction, SJ), позволяющая уменьшить сопротивление открытого канала MOSFET, была разработана компанией Infineon в 1999 году [1]. Последнее поколение 600-вольтовых транзисторов CoolMOS S7 было специально оптимизировано для приложений с небольшим количеством переключений, поэтому они имеют беспрецедентно низкое произведение сопротивления открытого канала RDS(on) на площадь поперечного сечения кристалла А, равное 0,6 Ом∙мм2. Столь низкое сопротивление канала при значительных коммутируемых токах позволило реализовать на их основе твердотельные реле с установочной мощностью, недосягаемой при использовании других полупроводниковых приборов.

Использование новейших технологий позволило разместить кристаллы MOSFET с сопротивлением канала RDS(on), равным 22 мОм, в малогабаритных SMD-корпусах типа TOLL. В ассортименте Infineon присутствуют также и другие модели 600-вольтовых MOSFET с сопротивлениями каналов 10, 22, 40 и 65 мОм, доступные в других, не менее популярных, корпусах.

Выбор MOSFET по известной мощности потерь

В электромеханических реле существует два вида потерь: потери управления, обусловленные протеканием тока через обмотку электромагнита, и потери, вызванные наличием конечного сопротивления контактной группы.

Потери в обмотке не зависят от величины коммутируемого тока и определяются лишь конструкцией реле, поэтому даже в самых лучших моделях этих электромеханических приборов на обмотке электромагнита рассевается мощность от нескольких десятков до нескольких сотен милливатт. Твердотельные реле на основе полевых транзисторов требуют ничтожно малого количества энергии для заряда емкости затвора и практически нулевые затраты энергии на удержание транзистора в проводящем состоянии.

Во включенном состоянии сопротивление каналов транзисторов CoolMOS S7 соизмеримо с сопротивлением контактов электромеханических реле. Однако в отличие от механических контактов, подверженных естественному износу, сопротивление транзисторов MOSFET остается практически постоянным на протяжении всего срока службы полупроводникового прибора.

Кроме того, при выборе твердотельных реле есть возможность подбора приборов с таким сопротивлением канала, при котором величина мощности потерь будет удовлетворять требованиям технического задания. Например, если плата, на которой установлены транзисторы твердотельных реле, может рассеять определенную тепловую мощность, то, зная максимальное значение коммутируемого тока, можно достаточно быстро определить величину максимально допустимого сопротивления каналов, которое станет основанием для выбора конкретной модели MOSFET. Пример подобной диаграммы показан на рисунке 1. Приведенные зависимости позволяют достаточно быстро определить величину максимально допустимого суммарного сопротивления двух транзисторов твердотельного реле переменного тока для четырех наиболее распространенных в бюджетных приложениях величин мощности потерь.

Рис. 1. Диаграммы для определения максимально допустимого суммарного сопротивления транзисторов твердотельного реле переменного тока при заданной мощности тепловых потерь

Рис. 1. Диаграммы для определения максимально допустимого суммарного сопротивления транзисторов твердотельного реле переменного тока при заданной мощности тепловых потерь

Область безопасной работы и надежность

Использование кристаллов меньшего размера позволяет создавать компактные транзисторы со сверхнизким сопротивлением канала во включенном состоянии. При использовании новых силовых SMD-корпусов, таких как QDPAK, стало возможным довести сопротивление открытого канала MOSFET до рекордно низкого значения – 10 мОм. Однако использование подобных приборов также связано с рядом особенностей, которые должны обязательно учитываться инженерами в процессе проектирования.

Транзисторы меньшего размера имеют меньшую теплоемкость и более высокое тепловое сопротивление по сравнению с транзисторами с таким же сопротивлением канала, но выпускаемыми в традиционных корпусах. Это хорошо видно на диаграммах, иллюстрирующих область безопасной работы транзисторов CoolMOS S7 [2], которая имеет меньшую площадь, чем у обычных MOSFET [3]. А это значит, что стандартные MOSFET менее чувствительны к величине тока перезаряда емкости затвора, чем транзисторы в компактных корпусах.

Для управления твердотельными реле очень часто используют оптопары, позволяющие обойтись без дополнительного изолированного источника питания драйвера. Однако такое решение может привести к увеличению времени нахождения транзистора в активном режиме и, как следствие, к увеличению мощности, рассеиваемой на кристалле. Для транзисторов в малогабаритных корпусах, имеющих малую теплоемкость, такой метод управления может привести к перегреву и даже выходу транзистора из строя. Поэтому для управления транзисторами CoolMOS S7 в малогабаритных корпусах следует использовать либо стандартный изолированный драйвер, питающийся от отдельного источника питания, либо специализированный драйвер с выходным буфером, который может быть реализован, например, на дискретных компонентах.

Заключение

Последние достижения в области технологий изготовления полевых транзисторов с суперпереходом позволили создать недорогие MOSFET с высоким рабочим напряжением и малым сопротивлением канала. С появлением новейшего семейства MOSFET CoolMOS S7 у инженеров появились новые возможности для создания малогабаритных, дешевых и надежных твердотельных реле, позволяющих вывести проектируемое оборудование на совершенно новый уровень конкурентоспособности.

Конечно, информации, приведенной в этой статье, слишком мало для знакомства со всеми передовыми решениями компании Infineon, многие из которых уже не раз становились причиной кардинального пересмотра технологий изготовления полупроводниковых приборов. Поэтому для более детального ознакомления с транзисторами CoolMOS S7 рекомендуется изучить соответствующие информационные ресурсы, доступные на официальном сайте этой компании.

Источники информации

  1. Hancock J., Stueckler F., Vecino E., “CoolMOS™ C7: Mastering the art of quickness, A technology description, and design guide,” Application Note AN2013-04 V1.0, Infineon Technologies, April 2013
  2. Infineon Technologies, “Linear mode operation with high-voltage superjunction MOSFETs: Challenges with CoolMOS™ generation 7 devices in linear mode,” Application Note AN_2002_PL52_2005_172726, June 2020; Click to open
  3. Schoiswohl J., “Linear mode operation and safe operating diagram of power-MOSFETs,” Application Note AP99007, Infineon Technologies, May 2017

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Товары
Наименование
IPP60R022S7XKSA1 (INFIN)
IPT60R022S7XTMA1 (INFIN)
IPT60R040S7XTMA1 (INFIN)
IPT60R065S7XTMA1 (INFIN)
IPDQ60R010S7AXTMA1 (INFIN)
IPDQ60R010S7XTMA1 (INFIN)