Дорогу молодым! – новые семейства силовых транзисторов от IR

30 июля 2013

Транзистор является самым массовым электронным компонентом после резисторов и конденсаторов. Масштабы рынка MOSFET впечатляют, и многие компании не прочь откусить от этого пирога как можно большую часть. Это требует от компаний-лидеров постоянного развития технологий производства кристаллов MOSFET и их корпусирования, чтобы расширять области применения MOSFET и продолжать удерживать лидирующие позиции на рынке.

Основными направлениями развития MOSFET являются уменьшение сопротивления открытого канала Rds(on); снижение емкости и заряда затвора Qg для высокочастотных применений, например, в импульсных источниках питания (ИИП); а также улучшение таких малозаметных на первый взгляд параметров, как тепловое сопротивление, паразитная индуктивность, емкость выводов и т.д.

Все указанные характеристики достигаются как путем совершенствования технологии производства кристаллов, так и разработкой новых типов корпусов для транзисторов, т.к. корпус вносит значительный вклад в окончательные значения сопротивления канала, паразитных емкостей и теплового сопротивления транзистора.

 

Современные кремниевые технологии MOSFET от IR

Многочисленные области применения MOSFET требуют обеспечения оптимальности транзистора с точки зрения различных характеристик. Так как многие характеристики транзисторов антагонистично взаимосвязаны, это требует разработки различных методов производства кристаллов и их корпусирования для достижения оптимального значения требуемого параметра. Компания International Rectifier является разработчиком нескольких технологий производства кремниевых кристаллов (рисунок 1).

 

Эволюция кремниевых технологий IR для производства MOSFET

 

Рис. 1. Эволюция кремниевых технологий IR для производства MOSFET

В данной статье мы не будем рассматривать давно всем известные технологии, появившиеся до поколения Gen 12.5x. Предметом нашего разговора станут те семейства и технологии, которые появились относительно недавно и сейчас стремительно выходят на мировой рынок. Это, возможно уже известное читателю, семейство StrongIRFET (Gen 12.7) — семейство транзисторов с минимальным сопротивлением канала и выдающимися токовыми характеристиками. Это и новое семейство 300 В транзисторов, также обладающих малым сопротивлением, являющимся самым низким для приборов подобного класса. Помимо упомянутых, мы рассмотрим новинки, представленные семейством транзисторов в корпусах DirectFET, обладающих минимальным добавочным сопротивлением, отличными характеристиками по теплоотводу и паразитной индуктивности. Все эти решения уже доступны на рынке электронных компонентов и успели снискать себе поклонников в инженерной среде.

Дальнейшее развитие технологий будет направлено на получение транзисторов со сбалансированными характеристиками проводимости и переключения, оптимизированных по так называемой FOM (Figure of Merit), представляющей собою оптимальное значение произведения сопротивления транзистора на заряд затвора (Rds(on)*Qgate). Данные решения будут представлены в виде двух семейств N-канальных транзисторов на среднее (60…200 В) и низкое (20…30 В) напряжение.

Кроме того, технологии поколения Gen 12.7 вскоре позволят выйти на рынок 60 В и 75 В семейству StrongIRFET, а также семейству быстродействующих транзисторов FastIRFET, у которых будет сведен к минимуму заряд затворного слоя Qg и которые изначально будут доступны в варианте на напряжение 100 В.

 

Технологии корпусирования MOSFET

Конечные рабочие характеристики транзистора складываются из характеристик кристалла и значений паразитных параметров, вносимых корпусом. Кроме того, именно конструкция корпуса определяет максимальный ток, который транзистор может обеспечить без разрушения, возникающего вследствие теплового пробоя.

Весь спектр корпусов, в которых компания IR выпускает свои транзисторы, представлен на рисунке 2. Помимо широко известных корпусов, применяемых также и другими производителями, International Rectifier применяет ряд корпусов собственной разработки, обладающих исключительными характеристиками и позволяющих максимально раскрыть возможности кристаллов транзисторов.

 

Варианты корпусирования транзисторов IR

 

Рис. 2. Варианты корпусирования транзисторов IR

Такими корпусами являются DirectFET и аналог корпуса TO-262 с расширенными выводами (TO-262WL), позволяющими в значительной мере увеличить рабочий ток транзистора. На рисунке 3 проводится сравнение габаритных характеристик транзисторов в корпусе D2-PAK и DirectFET, обеспечивающих одинаковый рабочий ток. Легко видеть, что применение корпуса DirectFET позволяет значительно уменьшить массогабаритные характеристики конечного устройства.

 

Габариты корпуса DirectFET в сравнении с другими SMD-корпусами

 

Рис. 3. Габариты корпуса DirectFET в сравнении с другими SMD-корпусами: по площади (а),
по высоте (б)

Благодаря широким выводам максимальный ток, который можно «снять» с транзистора в корпусе TO-262WL, достигает 240 А. Особенности же этих корпусов подробно описаны в статье [1].

 

Новые линейки силовых MOSFET

Познакомившись в общих чертах с технологиями производства и корпусирования транзисторов IR, перейдем к подробному рассмотрению новых семейств.

 

Семейство StrongIRFET

Одним из наиболее интересных семейств, преимущества которого уже успели оценить многие разработчики, является семейство транзисторов StrongIRFET, выполненных по кремниевой технологии Gen 12.7 . При разработке и производстве этого семейства основной упор был сделан на уменьшении сопротивления канала и обеспечении максимально возможного тока транзистора. Как видно из таблицы 1, максимальное значение сопротивления транзистора в стандартном корпусе TO-220 может составлять 1,3 мОм. Применение же специализированных корпусов, обладающих малым добавочным сопротивлением, например, семивыводного корпуса D2-Pak, позволяет уменьшить значение этого параметра до 1 мОм (максимальное значение). В настоящее время семейство представлено транзисторами с максимальным напряжением 40 В.

Таблица 1. Семейство 40 В транзисторов с наименьшим сопротивлением — StrongIRFET 

Наименование Корпус Rds(on)max при 10 В, мОм Id max при Tc=25°C, А Тип. Qg, нКл
IRFS7434TRL7PP D2-7   1,00   240   210  
IRFS7437TRL7PP 1,40   195   150  
IRFS7437TRLPBF D2-Pak   1,80   195   150  
IRFS7440TRLPBF 2,50   120   90  
IRFR7440TRPBF D-Pak   2,40   90   89  
IRFR7446TRPBF 3,90   120   65  
IRF7946TRPBF DirFET M-Can   1,40   90   141  
IRFH7004TRPBF PQFN   1,40   100   130  
IRFH7440TRPBF 2,40   85   90  
IRFH7446TRPBF 3,30   85   65  
IRFB7430PBF TO-220   1,30   195   300  
IRFB7434PBF 1,60   195   216  
IRFB7437PBF 2,00   195   150  
IRFB7440PBF 2,50   120   90  
IRFB7446PBF 3,30   120   62  
IRFP7430PBF TO-247   1,30   195   300  
IRFSL7437PBF TO-262   1,80   195   150  
IRFSL7440TRLPBF 2,50   120   90  

Основными областями применения данного семейства являются 12 и 24 В системы управления двигателями постоянного тока, а также системы коммутации и защиты аккумуляторных батарей. Соответствие транзисторов индустриальному стандарту позволяет с успехом применять их для построения промышленного ручного и автоматического инструмента, а также электрокаров и электропогрузчиков.

В планах компании — расширить семейство 60 и 75 В линейками. Некоторые представители 75 В линейки уже проходят окончательное тестирование и ближе к концу лета 2013 года должны появиться в виде инженерных образцов. Как показывают предварительные оценки, сопротивление данных транзисторов не будет превышать единиц мОм.

 

Семейство силовых транзисторов IRFP4x68 в корпусе TO-247

Еще одним новым семейством транзисторов, которые могут похвастаться низким сопротивлением, является IRF4x68, кристаллы которого выполнены по технологии Gen 10.7 и упакованы в мощный корпус TO-247. Семейство охватывает широкий диапазон рабочих напряжений транзистора — от 75 до 300 В — и обеспечивает рабочие токи до 195 А. Удобная система наименований (Part Numbering System) позволяет легко ориентироваться среди представителей семейства — вторая цифра в наименовании строго указывает на рабочее напряжение транзистора. Состав семейства приведен в таблице 2.

Таблица 2. Новое семейство транзисторов в силовом корпусе TO-247   

Наименование BVDSS, В Id max при Tc=25°C, А Id max при Tc=100°C, А Rds(on)max при 10 В, мОм Тип. Qg, нКл
IRFP4368PBF 75   350   195   1,85   380  
IRFP4468PBF 100   290   195   2,6   360  
IRFP4568PBF 150   171   125   5,9   151  
IRFP4668PBF 200   130   92   9,7   161  
IRFP4768PBF 250   93   66   17,5   180  
IRFP4868PBF 300   70   49   32   180  

Именно корпус TO-247, обладая отличными характеристиками по отводу тепла, и позволяет обеспечить столь высокий рабочий ток. Однако для того, чтобы в полной мере раскрыть эти преимущества, необходимо приложить некоторые дополнительные усилия. Так, теплоотвод от поверхности транзистора (а значит и кристалла) будет лучше, если при креплении корпуса на радиатор пользоваться специальными термопастами и осуществлять крепление при помощи специальных клипс. Подробно эти аспекты применения данных транзисторов рассматриваются в статье [2].

 

Новые 300 В транзисторы с наименьшим сопротивлением в отрасли

Для построения выходных каскадов высокоэффективных преобразователей питания компания IR выпустила серию 300 В транзисторов, обладающих наименьшим в отрасли сопротивлением открытого канала (таблица 3). Данное семейство немногочисленно и состоит из трех представителей — все это мощные транзисторы в корпусах, предназначенных для сквозного монтажа на печатную плату: TO-220 и TO-247.

Таблица 3. Семейство 300 В транзисторов с наименьшим сопротивлением в отрасли   

Наименование Rds(on)max при 10 В, мОм Id max при Tc=25°C, А Тип. Qg, нКл Корпус
IRFB4137PBF 69   38   83   TO-220  
IRFP4137PBF 69   38   83   TO-247  
IRFP4868PBF 32   70   180   TO-247  

Помимо отличных характеристик проводимости, данные транзисторы обладают также выдающимися характеристиками для высокочастотных применений. Семейство в скором времени расширится за счет появления нового транзистора IRFPS4888PBF, который будет поставляться в наиболее мощном выводном корпусе Super-247 (другое название TO-274) и будет обладать сопротивлением не более 14,5 мОм. Ток транзистора будет достигать 110 А в рабочем режиме. Инженерные образцы должны появиться в октябре-ноябре 2013 года.

 

Транзисторные новинки в корпусах DirectFET

Как было отмечено выше, полные значения параметров транзистора складываются из параметров самого кристалла и корпуса. Свой вклад в сопротивление открытого транзистора вносят выводы корпуса и проводники, которыми осуществляется распайка кристалла на выводы. Описанная ситуация представлена на рисунке 4. В части (а) рисунка приводятся различные методы распайки кристалла на выводы: с применением медных проводников, на базе медной клипсы и в корпусе DirectFET. В правой части (б) данного рисунка показано реальное увеличение сопротивления транзистора для каждого из этих методов. Если принять добавочное сопротивление при распайке проводниками за 100%, то доля добавочного сопротивления корпуса DirectFET составит только 12%, а следовательно, при использовании одного и того же кристалла результирующее сопротивление во втором случае будет значительно меньше.

 

Методы внутренней распайки кристалла (а) и добавочное сопротивление транзистора (б)

 

Рис. 4. Методы внутренней распайки кристалла (а) и добавочное сопротивление транзистора (б)

Вторым аспектом, определяющим выгодные характеристики транзисторов в корпусе DirectFET, является его низкое температурное сопротивление. Дело в том, что верхняя крышка корпуса транзистора является его стоком, что позволяет отводить тепло непосредственно с кристалла. Контакт других областей кристалла с выводами также осуществляется напрямую. Это позволяет добиться сверхнизких коэффициентов температурного сопротивления: теплоотвод на поверхность печатной платы осуществляется с коэффициентом 1°С/Вт, а на верхнюю крышку — лишь с немного большим, 1,4°С/Вт. Все это позволяет отводить тепло от кристалла настолько эффективно, что корпуса размером 7х9 мм обеспечивают ток до 195 А без применения внешнего радиатора (естественно, печатная плата должна быть спроектирована с соответствующими контактными площадками для осуществления теплоотвода).

Для сравнения, на рисунке 5б приведены соответствующие коэффициенты теплоотвода для стандартных SMD-корпусов.

 

Тепловое сопротивление корпуса DirectFET: пути отвода тепла (а) их температурное сопротивление (б)

 

Рис. 5. Тепловое сопротивление корпуса DirectFET: пути отвода тепла (а) их температурное сопротивление (б)

В таблицах 4 и 5 приводятся характеристики новых транзисторов в корпусах DirectFET, появившихся в последнее время и представляющих, по нашему мнению, наибольший интерес для разработчиков. Среди корпусов среднего размера (5х6 мм) лидером является транзистор IRF8301, обладающий сопротивлением 1,7 мОм и способный обеспечить ток более 190 А. Некоторые транзисторы снабжены встроенным быстродействующим диодом Шоттки, позволяющим во многих применениях обойтись без дополнительно внешнего компонента, что уменьшает габариты конечного изделия и удешевляет его.

Таблица 4. Семейство новых 30 В транзисторов в корпусах DirectFET типоразмеров 3х4 и 5х6 мм   

Наименование
(без суффикса)
Id max при Tc=25°C, А Rds(on)max
при 10 В, мОм
Тип. Qg, нКл Размер корпуса Особенность
IRF8301 192   1,7   51   Medium   FETKY*  
IRF8302 190   1,8   35   Medium   FETKY  
IRF8304 170   2,2   28   Medium   —  
IRF8306 140   2,5   25   Medium   FETKY  
IRF8308 150   2,5   28   Medium   —  
IRF8327 60   7,3   9,2   Small   —  
* FETKY — имеется встроенный быстродействующий антипараллельный диод Шоттки.  

 

Таблица 5. Семейство мощных DirectFET-транзисторов в корпусах с размерами 7х9 мм   

Наименование BVDSS, В Id max
при Tc=25°C, А
Rds(on)max
при 10 В, мОм
Тип. Qg, нКл Размер корпуса
IRF6718L2 25   270   0,7   64   L6  
IRF7739L1 40   270   1,0   220   L8  
IRF7748L1 60   148   2,2   147   L6  
IRF7749L2 60   200   1,5   200   L8  
IRF7759L2 75   160   2,3   200   L8  
IRF7769L1 100   124   3,5   200   L8  
IRF7769L2 100   124   3,5   200   L8  
IRF7779L2 150   67   11,0   97   L8  
IRF7799L2 250   35   38,0   110   L8  

Корпуса размером 7х9 мм (таблица 5) вообще могут обладать сопротивлением менее 1 мОм и способны обеспечить ток до 270 А (при соответствующем теплоотводе).

 

Логические транзисторы в миниатюрных корпусах

Транзисторы с логическим управлением в миниатюрных корпусах, типа SOT-23, TSOP-6 и подобных, никогда не позиционировались в качестве силовых ключей, и их токовые характеристики не были камнем преткновения для производителей. Это связано с малыми габаритами корпусов, неспособных рассеять большую мощность. Однако массовость применения подобных транзисторов в любых электронных устройствах делает достойным внимания суммарные потери мощности в них. Значительное уменьшение сопротивления открытого канала логических транзисторов позволило увеличить их токовые характеристики и повысить общий КПД устройства. В сочетании с миниатюрными размерами корпусов, эти достижения позволили логическим транзисторам плотно обосноваться на рынке маломощных бюджетных портативных приборов.

Транзисторы с логическим управлением могут открываться под воздействием минимальных входных напряжений (от 1,8 В в некоторых реализациях), но наиболее распространенными являются семейства, управляемые напряжением 2,5 и 4,5 В. В таблицах 6 и 7 приводятся наименования и основные характеристики современных логических транзисторов компании IR. Низкое сопротивление позволяет «снимать» с транзистора в корпусе размером 2х2 мм ток до 10 А (при напряжении на затворе 10 В). А в случае применения проприетарного корпуса DirectFET — до 22 А, что вполне сопоставимо с токами маломощных силовых ключей.

Таблица 6. Миниатюрные логические транзисторы, оптимальные для управления 10 В  

Наименование BVDSS, В Корпус Rds(on)max, мОм Id max
при Ta=25°C, А
при 10 В при 4,5 В
IRF9383M -30   DirectFET MX   2,9   4,8   22  
IRFHS9301 PQFN 2×2   37   60   6  
IRFTS9342 TSOP-6   40   66   5,8  
IRLML9301 SOT-23   64   103   3,6  
IRFHS9351 Dual PQFN 2×2   170   290   2,3  
IRFHS8242 25   PQFN 2×2   13   21   9,9  
IRLML8244   SOT-23   24   41   5,8  
IRFHS8342 30   PQFN 2×2   16   25   10  
IRFTS8342 TSOP-6   19   29   8,2  
IRLML0030 SOT-23   27   40   5,3  

 

Таблица 7. Миниатюрные логические транзисторы, оптимальные для управления 4,5 В  

Наименование BVDSS, В Корпус Макс. Rds(on), мОм Id макс. при Ta=25°C, А
при 4,5 В при 2,5 В
IRLTS2242 -20   TSOP-6   32   55   6,9  
IRLHS2242 PQFN 2×2   31   53   7,2  
IRLML2244 SOT-23   54   95   4,3  
IRLHS6242 20   PQFN 2×2   11,7   15,5   10  
IRLML6244 SOT-23   21   27   6,3  
IRLHS6276 Dual PQFN 2×2   45   62   4,5  
IRLMS2002 TSOP-6   30   45   6,5  
IRLHS6342 30   PQFN 2×2   16   20   8,7  
IRLTS6342 TSOP-6   17,5   22   8,3  
IRLML6344 SOT-23   29   37   5  
IRLHS6376 Dual PQFN 2×2   63   82   3,6  

Низкое напряжение открытия (многие из представленных транзисторов могут управляться напряжением от 1,8 В), и высокий коммутируемый ток делают логические транзисторы IR оптимальным решением для маломощных устройств с батарейным питанием.

 

Заключение

Применение различных современных технологий производства кремниевых пластин в сочетании с оригинальной технологией их корпусирования позволяет транзисторам MOSFET компании IR занимать одно из лидирующих мест на мировом рынке силовых компонентов. Транзисторы IR находят применение в любых электронных устройствах, позволяя добиться высоких выходных токов системы и обеспечить ей отличные характеристики по КПД. Транзисторы новых семейств StrongIRFET и DirectFET обладают минимальным сопротивлением открытого канала (менее 1 мОм) и позволяют разрабатывать компактные силовые приборы за счет небольших размеров элементов и возможности отводить от них тепло без применения громоздких радиаторов. Все это позволяет сократить сроки разработки конечного изделия и добиться существенного снижения его себестоимости.

 

Литература

1. Соломатин Максим. Новые MOSFET компании IR: широкие выводы, увеличенный ток//Новости Электроники, 2011, №10, 5-10 сс.

2. Автушенко К., Голубцов М. Семейство MOSFET с ультранизким Rds(on) в корпусе TO-247 компании International Rectifier//Компоненты и Технологии, 2013, №4, 132-134 сс.

3. Материалы семинаров «International Rectifier Seminars — June 2013».

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: power.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы