Высокоэффективные низковольтные MOSFET семейства OptiMOS 5 – где применять?

1 сентября 2017

В пятом номере «Новостей электроники» мы писали о выборе транзистора из линейки OptiMOS™ производства Infineon для синхронных импульсных преобразователей, исходя из оптимального соотношения потерь проводимости и переключения. Если добавить к этому требование минимизации площади, занимаемой транзистором на печатной плате, и сокращения энергетических потерь – следует обратить внимание на новую серию OptiMOS™ 5.

Не так давно компания Infineon представила новые семейства полевых транзисторов OptiMOS™ и StrongIRFET™, явившиеся результатом цепочки улучшений, направленных на повышение эффективности, уменьшение рассеиваемой мощности и снижение себестоимости. Данные семейства транзисторов ориентированы на работу в таких устройствах, как импульсные блоки питания, управление двигателями, инверторные схемы, источники питания для вычислительной техники.

Силовые транзисторы OptiMOS™ отличаются малым сопротивлением канала (R_DSon) и малой емкостью «затвор-исток», что позволяет применять их в высокочастотных приложениях.

StrongIRFET™ ориентированы на промышленный рынок, являются более низкочастотными, но рассчитаны на повышенную токовую нагрузку при сохранении управляющих напряжений совместимых с логическими уровнями (например, 3,3 В логика).

Основные особенности семейств OptiMOS™ и StrongIRFET™ показаны в таблице 1.

Таблица 1. Отличительные особенности семейств OptiMOS™ и StrongIRFET™

Отличительные особенности семейства OptiMOS™
Разработаны для высокопроизводительных приложений	Предназначены для замены Trench Power MOSFET	Лучшие в своем классе и по соотношению «цена-производительность»
Идеальны для высокочастотного переключения		Лучший показатель FOM в индустрии
Сверхнизкое RDS(on)	Линейка 20…300 В	Высокий КПД и плотность мощности
Отличительные особенности семейства StrongIRFET™
Разработаны для промышленных приложений	Предназначены для замены планарных Power MOSFET	Порядок цен – стандартный для Trench MOSFET
Идеальны для низкочастотного переключения		Возможность работы с высокими токами
Низкое RDS(on)	Доступен пороговый уровень логического напряжения 3,0 В	Улучшенная технология производства

Новинка в семействе OptiMOS™ – OptiMOS™ 5

Последнее расширение семейства OptiMOS™ – OptiMOS™ 5 – повысило разнообразие доступных типов корпусов. Ключевая идея – сохранение высокой нагрузочной способности и эффективное рассеяние лишнего тепла при экономии пространства на печатной плате.

Основные типы корпусов в OptiMOS™ 5:

• PQFN 2 x 2 – для систем, критичных к размерам, позволяет сохранить высокую частоту переключений при максимальной компактности;
• TO-247 – оптимизирован для приложений, работающих с большими токами нагрузки;
• DirectFET™ – для задач, связанных с большими рабочими токами и высокой рабочей частотой – снижена паразитная индуктивность корпуса и выводов;
• TO-Leadless – данный тип корпуса сконструирован для работы с большими токами в таких приложениях с повышенными требованиями к надежности, как автопогрузчики, электромобили, телекоммуникационное оборудование.

Ключевой особенностью корпусов TO-Leadless является способность выдерживать токи до 300 А. При этом по сравнению с 7-пиновым корпусом D2PAK корпус TO-Leadless занимает примерно на 30% меньше площади и примерно вдвое ниже по высоте, что особенно выгодно в устройствах типа blade-серверов (рисунок 1).

Рис. 1. Сравнение размеров корпусов D2PAK и TO-Leadless

Площадь контакта выводов корпусов TO-Leadless на 50% больше, что улучшает рабочие характеристики схемы при высоких уровнях токов или повышенной температуре.

За счет трапециевидных выемок на выводах TO-Leadless упрощается процедура оптического контроля качества пайки, так как место пайки и наличие припоя и контакта становится заметным (рисунок 2).

Серия транзисторов OptiMOS™ Linear FET сочетает в себе низкое сопротивление канала в открытом состоянии и ограничение протекающего тока в режиме насыщения. Это позволяет избежать разрушительных последствий при коротких замыканиях нагрузки (рисунок 3).

Рис. 2. Особенности выводов корпусов TO-Leadless

Высокоэффективные и бюджетные серии OptiMOS™ 5 на напряжения 25 и 30 В выпускаются в стандартных для индустрии DC/DC-преобразователей корпусах SuperSO8 и S3O8 (таблица 2). Данная серия ориентирована в первую очередь на рынок импульсных стабилизаторов для компьютерной техники, включая персональные компьютеры, серверные станции, центры обработки данных.

Приборы серии OptiMOS™ 5 Power Block представляют собой пару транзисторов в конфигурации синхронного преобразователя и заменяют два дискретных транзистора в корпусе SO8 или SuperSO8. Большой по площади вывод PGND, к которому подключены истоки транзисторов, существенно увеличивает отвод тепла в печатную плату (уменьшает тепловое сопротивление). Такое решение также упрощает топологию печатной платы изделия и уменьшает уровень генерируемых электрических шумов.

Таблица 2. Состав серии OptiMOS™ 5 на напряжения 25 и 30 В

Совместно с семейством контроллеров импульсных источников питания (OptiMOS™ Driver – PX3519, PX3517) OptiMOS™ 5 Power Block позволяет реализовать низковольтные DC/DC-преобразователи с выходными токами до 50 А и КПД до 95%. Данная связка также позволяет оптимизировать решения за счет увеличения рабочей частоты и плотности энергии, а также сокращения списка элементов (BOM).

Рис. 3. Сравнение безопасных зон работы для серий OptiMOS™ 5 и OptiMOS™ Linear FET

Серия OptiMOS™ 5 40 V в миниатюрном корпусе S3O8 (всего 3х3 мм) ориентирована прежде всего на применение в системах управления безщеточными двигателями постоянного тока и в H-мостах (таблица 3).

Выигрыш в габаритных размерах по сравнению с более традиционными корпусами DPAK составляет более 80% по площади на печатной плате и 50% по высоте.

Таблица 3. Состав серии OptiMOS™ 5 на напряжение 40 В

В семейство OptiMOS™ 5 Power MOSFETs входят также серии MOSFET с рабочими напряжениями до 60/80/100 В и логическими уровнями управления (5 В логика). Даже для серий на 100 В при управляющем напряжении на затворе 5 В сопротивление канала составляет менее 20 мОм (таблица 4).

Таблица 4. Представители семейства OptiMOS™ 5 Power MOSFET с сопротивлением канала менее 20 мОм

Для синхронных выпрямителей в источниках питания телекоммуникационных устройств, сетевых адаптерах, низковольтных двигателях постоянного тока, инверторах солнечных батарей подходят серии транзисторов на 80 и 100 В, тем более что в семействе OptiMOS™ 5 Power MOSFETs они представлены в семи различных корпусах (таблица 5).

Таблица 5. Состав семейства OptiMOS™ 5 Power MOSFET на напряжения 80 и 100 В

Самыми высоковольтными сериями в OptiMOS™ 5 являются серии с рабочими напряжениями до 150 В. Как и в случае в транзисторами на 80/100 В, они представлены в нескольких вариантах корпусных решений (таблица 6).

Таблица 6. Состав семейства OptiMOS™ 5 на напряжение 150 В

Рис. 4. Состав наименования транзисторов семейства OptiMOS™

Система наименования изделий в семействе OptiMOS включает девять полей (рисунок 4):

• тип корпуса – первые три буквы;
• сопротивление канала в открытом состоянии в мОм (умноженное на 10) – три цифры, например 014 – 1,4 мОм;
• тип канала – один символ – N/P/C;
• максимальное рабочее напряжение в вольтах (деленное на 10) – две цифры;
• уровень управляющего напряжения – буквенный код;
• опции, специфичные для данного типа корпуса;
• поколение технологии;
• отличительные особенности серии – для автомобильного применения/высокочастотные/встроенный резистор на затворе/защита от статики/ и др;
• символ соответствия требованиям RoHS.

Заключение

Новые транзисторы семейства OptiMOS благодаря целому ряду улучшений позволяют сократить потери энергии примерно на 30%. Это достигнуто благодаря появлению корпусов с более эффективным теплоотводом и снижению сопротивления канала во включенном состоянии.