Высоковольтные MOSFET’s от STMicroelectronics и практические советы по их применению

13 февраля 2017

телекоммуникациисветотехникауправление питаниемпотребительская электроникаавтоматизацияST Microelectronicsстатья

Пять основных линеек высоковольтных транзисторов MOSFET производства STMicroelectronics с диапазонами напряжений 400…1500 В и токов 0,25…130 А – одно из самых впечатляющих предложений на мировом рынке силовых импульсных преобразователей. А если еще знать, какая из них для каких приложений больше подойдет, а также открыть некоторые секреты минимизации утечек тока в процессе применения этих изделий…

Один из признанных лидеров в области полупроводниковых компонентов STMicroelectronics продолжает радовать разработчиков новыми продуктами. Собственные центры разработки и производственные мощности по всему миру позволяют компании всегда быть на шаг впереди в своей области и быстро адаптироваться к постоянно меняющимся трендам глобального рынка, а часто и самой задавать эти тренды. Даже в такой, на первый взгляд, консервативной отрасли как дискретные MOSFET-приборы, STMicroelectronics удалось опередить конкурентов и предложить рынку уникальные в своем роде линейки транзисторов MOSFET: 1500 В Si-MOSFET и 1200 В SiC-MOSFET с расширенной допустимой рабочей температурой перехода до 200°С.

STMicroelectronics имеет весьма широкую номенклатуру высоковольтных транзисторов MOSFET, которая перекрывает диапазоны напряжений 400…1500 В и токов 0,25…130 А. Разработчик легко сможет подобрать транзисторы для любого устройства силовой электроники мощностью до 15 кВт и даже выше. В номенклатуру ST входят несколько отдельных линеек, каждая из которых предназначена для конкретных целевых применений: MDmesh M2 (замещает MDmesh II), MDmesh DM2 (замещает FDmesh II), MDmesh M5, MDmesh K5, SiC MOSFETs.

Коротко рассмотрим основные различия между семействами MDmesh M2, DM2 и М5. Несмотря на то, что в рамках этих семейств предлагаются транзисторы MOSFET приблизительного одинакового класса напряжений 400…650 В, у каждой линейки есть отличия, определяющие наиболее оптимальные топологии применений.

Так, например, наиболее эффективным решением по соотношению «цена-качество» является семейство MDmesh M5. При этом среди аналогов других ведущих производителей транзисторы MOSFET М5 обладают самым малым сопротивлением открытого канала Rds в любом корпусе (рисунок 1). Это семейство нацелено на применение в мощных устройствах для топологий с жесткой коммутацией, таких как повышающий и обратноходовой преобразователи, двухтранзисторный прямоходовой преобразователь и так далее.

Рис. 1. Сравнение сопротивления открытого канала Rds между транзисторами MOSFET серии М5 и аналогами конкурентов

Рис. 1. Сравнение сопротивления открытого канала Rds между транзисторами MOSFET серии М5 и аналогами конкурентов

Семейство MDmesh M2 по сравнению с предыдущим поколением MDmesh II при аналогичных ценах отличается улучшенными динамическими характеристиками, которые обуславливают снижение потерь при переключении. Так, например, у нового поколения транзисторов заряд затвора Qg ниже на 30%, входная емкость Сiss снижена на 15%, а выходная емкость Coss меньше на целых 50%, что особенно актуально в обратноходовых топологиях. Не лишним будет упомянуть, что транзисторы MOSFET этой линейки имеют встроенную защиту от электростатического разряда и бросков напряжения в цепи затвора. Ключи серии М2 позволяют проектировать устройства с более высокой частотой коммутации в таких топологиях как резонансные LLC, обратноходовые, прямоходовые и прочие.

Семейство MDmesh M2–EP (Enhanced Performance) – это следующий виток развития технологии MDmesh M2. Инженерам ST удалось добиться уменьшения энергии выключения транзисторов Eoff до 25% во всем диапазоне токов стока по сравнению с предыдущей линейкой. В результате энергоэффективность конечных устройств может быть улучшена, в особенности при малых нагрузках. Наглядное сравнение M2 и M2–EP представлено на рисунке 2.

Рис. 2. Сравнение MOSFET M2 и M2–EP по энергии выключения Eoff

Рис. 2. Сравнение MOSFET M2 и M2–EP по энергии выключения Eoff

Семейство MDmesh DM2 предназначено для энергоэффективных преобразователей высокой мощности с мягким переключением при нулевом напряжении (ZVS), построенных на базе топологий «полный мост» или «полумост».

Рис. 3. Сравнение процессов обратного вос- становления встроенных антипараллельных диодов MOSFET M2 и DM2

Рис. 3. Сравнение процессов обратного восстановления встроенных антипараллельных диодов MOSFET M2 и DM2

Благодаря улучшенной и более оптимальной по сравнению с FDmesh II технологии S-junction, применяемой в изготовлении кристаллов транзисторов, время обратного восстановления встроенного антипараллельного диода снижено в несколько раз (рисунок 3). Благодаря этому, энергия выключения транзистора MOSFET снижена до 4 раз по сравнению с предыдущей серией FDmesh II и на 20…30% меньше, чем у аналогичных транзисторов других ведущих производителей (рисунок 4). При этом обеспечивается плавное восстановление диода с меньшим броском обратного тока.

Таким образом, если перед разработчиком, к примеру, стоит задача сконструировать корректор коэффициента мощности на базе повышающего преобразователя напряжения, который будет работать в режиме жесткой коммутации, то самым оптимальным решением будет применить транзистор MOSFET семейства М5. А в случае высокоэффективной резонансной топологии лучшим решением окажется MOSFET M2.

Рис. 4. Сравнение различных транзисторов MOSFET по энергии выключения Eoff

Рис. 4. Сравнение различных транзисторов MOSFET по энергии выключения Eoff

STMicroelectronics – один из немногих производителей электроники, который предлагает разработчикам действительно уникальные продукты. Благодаря непрерывным инвестициям в разработку новых изделий на смену планарной технологии SuperMESH 3 пришла более совершенная технология MDmesh K5. Разработчикам ST удалось уменьшить толщину базового слоя полупроводниковой структуры, за счет чего сопротивление открытого канала снизилось на 60% по сравнению с предшествующей технологией. Также существенно уменьшился главный физический показатель качества транзисторов MOSFET – Figure Of Merit (FOM), который определяется как произведение сопротивления открытого канала на заряд затвора (FOM = Rds(on) x Qg) и комплексно характеризует величину статических и динамических потерь прибора. Не лишним будет отметить, что компания ST одна из первых в 2014 году представила рынку транзисторы MOSFET с классом напряжения «сток-исток» 1200 В и с очень низким сопротивлением открытого канала; а также оказалась первой, кто выпустил в массовое производство мощные транзисторы с классом напряжения «сток-исток» 1500 В и током до 14 А. Тем самым ST прочно занял лидирующие позиции по выпуску приборов со сверхвысоким напряжением (Very High Voltage).

Достаточно интересным для разработчиков будет наглядное сравнение MOSFET серии MDmesh K5 с ближайшим аналогом предыдущей серии SuperMESH 3, а также с ближайшим аналогом производства компании-конкурента (таблица 1). Особо стоит отметить существенное уменьшение параметров, влияющих на динамическое поведение прибора.

Таблица 1. Сравнение MOSFETs SuperMESH 3 и MDmesh K5 с аналогом конкурента по основным параметрам

Основные параметры Макс. значение T = 25°C
STP21N90K5 STW25N95K3 Изделие I Единица измерения
Технологическое семейство ST MDmesh K5 ST SuperMESH 3 Ближайший конкурент
BVDSS 900 950 900 В
RDS(ON) VDS = 10 В 299 360 340 мОм
Id 18,5 22 15 A
Qg VDS = 450/760/400 В 43 105 94 нКл
Ciss VDS = 100 В 1645 3680 2400 пФ
Coss VDS = 100 В 112 246 120 пФ
Crss VDS = 100 В 2 2 2 пФ
Co(tr) VDS = 0…720/760/500 В 133 198 280 пФ
Co(er) VDS = 0…720/760/500 В 16 278 71 пФ
Rg 4 3 1,3 Ом
FOM 12,86 37,8 31,96

Обширная номенклатура приборов, выполненных по технологии MDmesh K5, перекрывает широкий диапазон токов и напряжений. Ниже представлены транзисторы MOSFET серии K5 с указанием целевого применения и возможного типа корпуса. Ввиду очень широкой номенклатуры этих приборов в таблице 2 представлены далеко не все доступные транзисторы.

Таблица 2. Краткая номенклатура транзисторов MOSFET серии MDmesh K5 (DK5)

Наименование BVDS, В RDS, Ом Qg, нКл Целевое применение Корпус
STx2N80K5 800 4,5 9 Импульсные ИП, драйверы LED, измерения DPAK/TO-220/FP/PowerFLAT 5×6 VHV, IPAK
STx6N80K5 1,6 13 Импульсные ИП, драйверы LED, измерения DPAK/TO-220/TO -220FP/D2PAK/I2PAK/I2PAKF, PowerFLAT 5×6 VHV
STx13N80K5 0,45 29 Импульсные ИП, адаптеры, освещение TO-220/TO-220FP/TO-247/D2PAK/I2PAKFP
STx30N80K5 0,18 43 Импульсные ИП, HID, драйверы LED TO-247/D2PAK
STW23N85K5 850 0,275 19 Импульсные ИП, сварка TO-247/PowerFLAT 8×8 HV
STx4N90K5 900 2,4 5,3 Импульсные ИП, драйверы LED, измерения DPAK/TO-220/TO-220FP
STx20N90K5 0,26 40 Импульсные ИП, HID D2PAK/TO-220/TO-220FP/TO-247
STx6N95K5 950 1,25 13 Импульсные ИП, драйверы LED TO-220/FP/DPAK/IPAK/TO-247/H2PAK
STW40N95K5 0,13 80 Импульсные ИП, сварка TO-247/TO-247LL
STx2N105K5 1050 8 10 Телеком, сварка DPAK/IPAK/TO-220/TO-3PF
STx10N105K5 1,3 21 Импульсные ИП, HID TO-220/TO-220FP/TO-247
STx12N120K5 1200 0,69 44 3-фазные импульсные ИП, сварка, инверторы солнечных батарей TO-220/FP/TO-3PF/TO-247/H2PAK/TO-247LL
STx12N150K5 1500 1,9 43 3-фазные импульсные ИП TO-247/TO-3PF
STx21N150K5 0,9 95 3-фазные импульсные ИП TO-247/TO-3PF
STx40N95DK5* 950 0,13 100 Импульсные ИП, драйверы LED, измерения, зарядные устройства TO-247/TO-247LL
* – Начало производства — второй квартал 2017 года.

Все транзисторы, представленные в таблице 2, уже вышли на массовое производство, кроме последнего прибора. STx40N95DK5 выполнен по технологии MDmesh DK5 и имеет встроенный быстродействующий обратный диод (по аналогии с сериями MDmesh M2/DM2). Новый MOSFET начнет массово производиться в течение второго квартала 2017 года.

Проектирование изделий на столь высокое напряжение предъявляет особые требования к конструкции и безопасности. Это связано, в первую очередь, с опасностью появления высокого потенциала на корпусе изделия и поражением электрическим током пользователя. Для инженеров, разрабатывающих устройства на напряжения свыше 200…300 В, следует обязательно знать определенные правила проектирования и придерживаться их, чтобы изделия соответствовали основным нормам безопасности и не представляли угрозы для жизни.

Для начала необходимо дать определение основным понятиям, используемым при проектировании высоковольтных устройств электроники.

Путь утечки тока по поверхности диэлектрика (Creepage) определяется как кратчайший путь между двух проводников, измеренный вдоль поверхности диэлектрика (рисунок 5). Образование пути утечки вдоль изолятора при приложении высокого напряжения в течение длительного времени определяется, в первую очередь, действующим значением приложенного напряжения, а также условиями и параметрами среды.

Рис. 5. Путь утечки тока по поверхности диэлектрика и изоляционный воздушный про- межуток

Рис. 5. Путь утечки тока по поверхности
диэлектрика и изоляционный воздушный промежуток

Для того чтобы правильно оценить путь утечки тока по поверхности диэлектрика, необходимо принять в расчет несколько факторов:

  • рабочее напряжение;
  • степень загрязнения среды;
  • тип изоляции;
  • стойкость диэлектрика к повреждению поверхности пробоем.

Важно отметить, что пробой изоляции – это достаточно медленное явление, определяемое больше постоянным или действующим значением прикладываемого к диэлектрику напряжения, нежели кратковременными импульсами.

Воздушный изоляционный промежуток (Clearance) определяется как кратчайший путь по воздуху между двумя проводниками (рисунок 5). Достаточно большое значение этого параметра предотвращает возможную ионизацию воздушного промежутка между проводниками с последующим образованием искры при приложении напряжения. Риск образования электрического пробоя по воздуху определяется непосредственно параметрами воздушной среды.

Для того чтобы правильно оценить воздушный изоляционный промежуток, необходимо принять в расчет такие факторы как:

  • рабочее напряжение;
  • категория перенапряжения;
  • тип изоляции;
  • основные параметры среды (температура, влажность, степень загрязненности);
  • высота над уровнем моря;
  • периодичность переходных процессов в первичной цепи.

Следует иметь в виду, что электрический воздушный пробой – это быстрое явление, которое может произойти из-за очень короткого по времени импульса. Следовательно, все воздушные промежутки между элементами изделия должны быть выбраны надлежащим образом, чтобы вероятность воздушного пробоя была минимальна во всем диапазоне условий окружающей среды, а также при возможных переходных процессах и импульсных перенапряжениях.

Учет всех нюансов ставит перед разработчиком особые требования при конструировании высоковольтных печатных плат. Правильно подобранные воздушные промежутки и достаточные расстояния между высоковольтными проводниками на плате – гарант безопасной, безотказной работы и длительного ресурса изделия. Практически все конечные изделия в обязательном порядке должны проходить сертификационные испытания на соответствие определенным стандартам и нормам безопасности. К примеру, электротехническое телекоммуникационное оборудование, работающее от промышленной или бытовой сети и/или имеющее в своем составе буферную аккумуляторную батарею, должно соответствовать нормам безопасности в соответствии с ГОСТом МЭК 60950-1-2011.

Коротко остановимся на практических аспектах проектирования высоковольтных устройств. Ниже приведены несколько советов, которые помогут обойти некоторые «подводные камни» при конструировании.

Как увеличить безопасное расстояние между проводящими элементами

Рис. 6. Прибор в корпусе D2PAK припаян слиш- ком близко к другим компонентам

Рис. 6. Прибор в корпусе D2PAK припаян слишком близко к другим компонентам

Самый распространенный пример того, как можно увеличить изоляционный промежуток между неизолированными токопроводящими выводами противоположной полярности компонентов, представлен на рисунках 6 и 7.

На рисунке 6 представлен участок печатной платы с расположенными на ней компонентами. При этом можно отметить, что, во-первых, расстояние между выводами прибора в SMD-корпусе D2PAK очень мало, а во-вторых, соседние компоненты расположены слишком близко к нему. Для повышения степени безопасности этого узла и увеличения пути утечки тока выводы корпуса рекомендуется герметично залить высокотемпературным электроизоляционным компаундом, как показано на рисунке 7.

Рис. 7. Заливка выводов корпуса D2PAK электроизоляционным компаундом

Рис. 7. Заливка выводов корпуса D2PAK
электроизоляционным компаундом

Другой довольно распространенный пример того, как можно увеличить путь утечки для выводного дискретного прибора (к примеру, в корпусе TO-247-3), закрепленного на радиаторе, представлен на рисунках 8 и 9.

Минимальные пути утечки тока от проводящих элементов прибора в корпусе ТО-247-3 до радиатора изображены на рисунке 8. Длина пути утечки от открытого участка подложки до радиатора составляет 3…6 мм, от выводов до радиатора – 3 мм.

Рис. 8. Кратчайшие пути утечки тока (выде- лены красным цветом) по корпусу прибора на радиатор

Рис. 8. Кратчайшие пути утечки тока (выде-
лены красным цветом) по корпусу прибора на
радиатор

Для некоторых применений и устройств с изолированным радиатором увеличение пути утечки и изоляционного воздушного промежутка до радиатора является обязательным требованием для соблюдения определенных стандартов, требование которых – повышенный класс изоляции. Поэтому для решения этой проблемы целесообразно использовать более широкую изоляционную подложку между корпусом и радиатором (рисунок 9).

Подложка позволяет значительно увеличить расстояние утечки и повысить воздушный изоляционный промежуток. При этом следует иметь в виду, что она влияет на параметры теплоотдачи прибора. Тепловое сопротивление изоляционной подложки обычно лежит в диапазоне 1,0…3,5°С/Вт и сильно зависит от свойств материала, из которого она изготовлена, а также от прижимного усилия, с которым корпус прибора давит на радиатор. Последний параметр регулируется моментом затяжки крепежного винта или прижимной силой скобы.

Рис. 9. Сборки корпуса TO-247-3 с радиатором с изоляционными подложками разного размера

Рис. 9. Сборки корпуса TO-247-3 с радиатором с изоляционными подложками разного размера

Во многих устройствах по техническим нормам и в целях обеспечения безопасности персонала необходимо изолировать радиатор от высокого потенциала подложки. Для того чтобы при сборке прибора с радиатором обеспечить необходимый уровень изоляции, следует применять специальные изделия, такие как изолирующая втулка и изолирующая подложка. Схема сборки приведена на рисунке 10.

Рис. 10. Схема крепления прибора к радиатору

Рис. 10. Схема крепления прибора к радиатору

При использовании полностью изолированных корпусов (TO-220 FullPack, TO-3PF) следует обратить особое внимание на то, что, с одной стороны, в изоляционной подложке нет необходимости. Но с другой – нет никакого дополнительного элемента, который увеличивает безопасное расстояние между выводами корпуса и радиатором. Поэтому в данном случае требуется, по возможности, для увеличения воздушного промежутка между ножками корпуса и радиатором применять изолирующую подложку. Аналогичное требование относится и к ситуации, когда для монтажа на плату выводы корпуса необходимо согнуть определенным образом (рисунок 11).

Рис. 11. Допустимые варианты крепления прибора в корпусе ТО -247-3 к радиатору и печатной плате

Рис. 11. Допустимые варианты крепления прибора в корпусе ТО -247-3 к радиатору и печатной плате

Мы рассмотрели базовые, но далеко не все средства обеспечения изоляции между проводящими частями в высоковольтных устройствах силовой электроники. Очень часто производители самостоятельно выпускают специализированные указания по применению (Application note) различных групп продуктов.

Заключение

Компания STMicroelectronics является признанным лидером в области сверхвысоковольтных (Very high voltage) транзисторов MOSFET и предлагает рынку во многом уникальные в своем классе приборы. Будучи на самой вершине технологической пирамиды и обладая колоссальным производственным и научным потенциалом, компания регулярно совершенствует технологии изготовления своих приборов и задает темп инновациям. А разработчикам остается только удивляться скорости изменений в отрасли и проектировать более совершенные, эффективные и безопасные устройства.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее