Повышение производительности обратноходовых преобразователей с помощью нового семейства транзисторов 950 В CoolMOS P7 от Infineon

21 марта

светотехникауправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводники

Повышенная эффективность и простота управления делают транзисторы CoolMOS™ P7 производства Infineon идеальными для построения обратноходовых преобразователей с выходной мощностью до 150 Вт. КПД таких преобразователей с помощью CoolMOS™ P7 можно увеличить на 0,15% при малой нагрузке и на 0,4% при полной.

Разработчики маломощных импульсных источников питания (ИП) постоянно сталкиваются с ужесточением требований рынка. Основными трендами становятся уменьшение габаритов, повышение интеллектуальности и мощности источников питания. Таким образом, основная цель разработчиков заключается в создании компактных, удобных в эксплуатации, экологичных и мощных ИП.

Развитие источников питания в свою очередь приводит к появлению компактных портативных устройств и приборов. Кроме того, счета за электроэнергию будут уменьшаться из-за снижения потребляемого электричества. Негативное воздействие на окружающую среду также будет сокращаться. Последний факт связан с тем, что для питания электроники потребуется меньшее число источников питания, а значит, снизится уровень производственных загрязнений, связных с их изготовлением и переработкой в конце срока службы.

Вместе с тем, для получения всех перечисленных преимуществ необходимы новые полупроводниковые решения, которые обеспечат улучшение тепловых характеристик, повышение выходной мощности, уменьшение габаритов, увеличение удельной мощности, а также гарантируют высокую надежность и длительный срок службы источника питания.

Высоковольтные МОП-транзисторы являются важнейшими элементами обратноходовых преобразователей. По этой причине выбор оптимального силового ключа становится решающим фактором для обеспечения возрастающих требований рынка. Использование МОП-транзисторов 950 В из нового семейства CoolMOS™ P7 производства Infineon дает целый ряд преимуществ при создании обратноходовых преобразователей: адаптеров, зарядных устройств, драйверов светодиодов, ИП для умных счетчиков, вспомогательных и промышленных источников питания.

Рассмотрим наиболее важные особенности проектирования обратноходовых преобразователей и проанализируем преимущества, получаемые при использовании транзисторов семейства CoolMOS™ P7.

Особенности проектирования обратноходовых преобразователей с высоковольтными МОП-транзисторами

Для выбора оптимального МОП-транзистора разработчик должен понимать принцип работы обратноходового преобразователя и знать особенности работы силового ключа. Чтобы избежать проблем с электромагнитной совместимостью, современные обратноходовые преобразователи, как правило, работают с частотой переключений в диапазоне 40…100 кГц. В то же время использование более высоких частот позволяет уменьшить размеры ИП за счет снижения габаритов магнитных элементов. Для повышения эффективности при работе с малыми нагрузками требуется уменьшать потери на переключения, а при работе с большими нагрузками необходимо сосредоточиться на снижении потерь проводимости.

Заряд затвора (Qg) и энергия, запасаемая в выходной емкости (Eoss), являются важными параметрами МОП-транзистора, поскольку они вносят существенный вклад в динамические потери, связанные с переключениями. Qg определяет уровень потерь на управление МОП-транзистором: чем меньше заряд затвора, тем меньше энергии требуется драйверу на переключение транзистора. Eoss – это энергия, затрачиваемая МОП-транзистором при его включении. Сопротивление открытого канала транзистора RDS(on) также является важным параметром, который напрямую влияет на потери проводимости. Кроме того, важную роль при выборе оптимального силового ключа играет его устойчивость к статическим разрядам (ESD) – уменьшение числа отказов, вызванных пробоем, очевидным образом повышает выгоду производителя.

От разработчиков постоянно требуют сокращения времени вывода устройств на рынок. Однако они не должны забывать о надежности и простоте управления. Например, необходимо учитывать величину порогового напряжения «затвор-исток» VGS(th) и его разброс. Малое значение VGS(th) облегчает управление транзистором, а меньший разброс VGS(th) дает разработчикам больше свободы при проектировании источника питания.

CoolMOSTM P7 950 В: повышение КПД и улучшение тепловых характеристик

Новое семейство транзисторов CoolMOS™ P, выпускаемое компанией Infineon, поднимает планку эффективности и простоты управления на новую высоту, обеспечивая лучшие показатели среди всех транзисторов 950 В, выполненных по технологии Superjunction.

На рисунке 1 представлено сравнение значений Eoss для транзисторов с одинаковым корпусом TO-220 FullPAK с сопротивлением 450…500 мОм.

Рис. 1. Сравнение значений Eoss для транзисторов с сопротивлением 450 мОм и корпусом TO-220 FullPAK от разных поставщиков (в соответствии с документацией)

Рис. 1. Сравнение значений Eoss для транзисторов с сопротивлением 450 мОм и корпусом TO-220 FullPAK от разных поставщиков (в соответствии с документацией)

Транзисторы CoolMOS™ P7 были оптимизированы для достижения максимальной эффективности. При сравнении CoolMOS™ P7 с представителем семейства 900 В транзисторов CoolMOS ™ C3 от Infineon, а также аналогом от другого производителя, оказывается, что величина Eoss для CoolMOS ™ P7 меньше на 50%. При этом, как уже отмечалось выше, именно Eoss во многом определяет динамические потери в силовом транзисторе.

На рисунке 2 наглядно показано повышение эффективности и уменьшение нагрева при переходе к транзисторам CoolMOS™ P7 на примере обратноходового драйвера светодиодов мощностью 20 Вт. При этом улучшения наблюдаются в широком диапазоне выходных мощностей, то есть как при большой, так и при малой нагрузке.

Рис. 2. Сравнение нагрева транзисторов (а) и относительной эффективности (б) светодиодного драйвера мощностью 20 Вт при использовании различных силовых ключей

Рис. 2. Сравнение нагрева транзисторов (а) и относительной эффективности (б) светодиодного драйвера мощностью 20 Вт при использовании различных силовых ключей

Таким образом, простая замена транзисторов на CoolMOS™ P7 позволяет увеличить эффективность преобразователя на 0,15% при малой нагрузке, и на 0,4% при полной нагрузке (рисунок 2б). Прирост КПД при малой нагрузке обеспечивает снижение потерь на холостом ходу, в то время как повышение эффективности при полной нагрузке приводит к уменьшению нагрева транзисторов на 10°C, а это в свою очередь значительно упрощает решение задачи по отводу тепла.

После рассмотрения параметров эффективности и тепловыделения обратимся к вопросам, касающимся плотности мощности. Существуют два способа достижения высокой плотности мощности, требуемой от современных источников питания.

Первый способ заключается в увеличении частоты коммутации высоковольтного МОП-транзистора, работающего в составе обратноходового преобразователя. С одной стороны, это позволит повысить эффективность, а с другой – у разработчиков появится возможность использовать магнитные компоненты меньшего размера, что приведет к уменьшению габаритов всей системы. Транзисторы CoolMOS™ P7 идеально для этого подходят, так как по сравнению с конкурентами они способны обеспечивать меньший уровень потерь при переключениях.

Второй способ заключается в использовании компактных высоковольтных МОП-транзисторов, которые занимают меньше места на печатной плате. В этом случае семейство CoolMOS™ P7 также станет подходящим выбором. Это связано с тем, что транзисторы CoolMOS™ P7 с корпусом DPAK характеризуются рекордно малым значением RDS (on). Как показано на рисунке 3, транзисторы CoolMOS™ P7 имеют сопротивление канала всего 450 мОм, что на 65% меньше, чем у любого другого транзистора в корпусе DPAK. Использование более совершенных транзисторов DPAK помогает разработчикам экономить место, тем самым повышая удельную мощность и снижая стоимость изделия. При этом снижение стоимости достигается уменьшением размеров печатной платы, отказом от выводных компонентов (THT) и переходом на автоматический поверхностный монтаж (SMD).

Рис. 3. CoolMOS™ P7 обеспечивает самое малое значение сопротивления открытого канала среди транзисторов 950 В в корпусном исполнении DPAK

Рис. 3. CoolMOS™ P7 обеспечивает самое малое значение сопротивления открытого канала среди транзисторов 950 В в корпусном исполнении DPAK

Еще одной важной особенностью семейства CoolMOS™ P7 является встроенный стабилитрон, включенный между затвором и истоком (рисунок 4а). Его главной задачей становится защита затвора от электростатического разряда. Стабилитрон ограничивает напряжение между затвором и истоком (VGS) при возникновении высоковольтного разряда (рисунок 4б). Это позволяет уменьшить число отказов, а следовательно – повысить надежность.

Рис. 4. а) структура CoolMOS™ P7; б) эквивалентная схема участка, выделенного серым на рисунке а)

Рис. 4. а) структура CoolMOS™ P7; б) эквивалентная схема участка, выделенного серым на рисунке а)

Встроенная защита от статики помогает снизить количество брака, связанного с пробоем транзисторов в процессе монтажа, что дополнительно уменьшает производственные затраты. Перенапряжения на затворе могут не только вызвать мгновенный пробой транзистора, но и привести к уменьшению срока его службы из-за ухудшения свойств оксидного слоя под затвором. Таким образом, высокий рейтинг напряжения и защитный стабилитрон обеспечивают уменьшение числа отказов в процессе эксплуатации. При использовании модели человеческого тела (HBM) транзисторы CoolMOS™ P7 с сопротивлением менее 3,7 Ом отвечают требованиям класса жесткости 1C, а транзисторы с RDS (on) менее 2 Ом отвечают требованиям класса жесткости 2. При использовании модели CDM транзисторы обеспечивают защиту в соответствии с требованиями класса жесткости C3.

Повышение эффективности преобразователя за счет отказа от снабберной RCD-цепочки

В большинстве обратноходовых преобразователей для ограничения напряжения «сток-исток» применяется снабберная RCD-цепочка. Отказ от снаббера помогает дополнительно повысить КПД схемы. Транзисторы семейства CoolMOS™ P7 способны работать при отсутствии RCD-цепочки, тем самым обеспечивая более высокую эффективность по сравнению с традиционными схемами обратноходовых преобразователей.

Потери в RCD-цепочке вносят весомый вклад в общий уровень потерь преобразователя. Это является следствием высоких рабочих напряжений до 305 В AC (и даже выше). Помимо повышения эффективности системы, отказ от снаббера также позволяет уменьшить площадь печатной платы и снизить стоимость преобразователя.

Для повышения эффективности обратноходовых преобразователей необходимо минимизировать влияние двух основных механизмов образования потерь. Первый механизм связан с перезарядом RCD-цепочки. Этот перезаряд происходит в каждом цикле коммутации независимо от величины нагрузки. Энергия индуктивности рассеяния увеличивает напряжение на снаббере и приводит к дальнейшему росту потерь на демпфирующем резисторе. Второй механизм потерь связан с увеличением общей емкости стока из-за RCD-цепочки. Эта паразитная емкость перезаряжается через диод RCD-цепи. Оба механизма потерь можно устранить, удалив демпфирующую цепь.

При отказе от снаббера требуется обеспечить необходимый запас по напряжению, чтобы предотвратить превышение допустимого напряжения «сток-исток» и защититься от необратимого пробоя транзистора. При использовании транзисторов с рейтингом 950 В это сделать значительно проще, чем при использовании транзисторов 800 и 900 В. В некоторых случаях для защиты от перенапряжений может потребоваться дополнительный конденсатор, включенный между стоком и истоком.

Чтобы получить полное представление об уровне потерь и особенностях проектирования бесснабберных обратноходовых схем, компания Infineon рекомендует обратиться к демонстрационной плате преобразователя мощностью 40 Вт EVAL_40W_FLY_P7_950V.

Проектирование схем с представителями нового семейства CoolMOS™ P7

В состав семейства CooMOSTM P7 входят транзисторы с пятью различными значениями сопротивления открытого канала (RDS(on)) и четырьмя типами корпусных исполнений. Они предназначены для создания шести основных типов преобразователей: адаптеров, зарядных устройств, LED-драйверов, ИП умных счетчиков, вспомогательных и промышленных источников питания. Благодаря широкому выбору транзисторов с различными значениями RDS(on), разработчики смогут без проблем сделать оптимальный выбор с учетом требований конкретного приложения.

Транзисторы CoolMOS™ P7 сочетают отличную эффективность и простоту управления. Это семейство идеально подходит для построения обратноходовых преобразователей с выходной мощностью до 150 Вт.

Infineon предлагает широкий выбор готовых референсных схем на базе CoolMOS™ P7, включая уже упомянутые в статье схемы адаптера мощностью 40 Вт и источника питания светодиодов с мощностью 20 Вт.

Оригинал статьи

•••

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
IPA95R1K2P7XKSA1 (INFIN)
IPA95R750P7XKSA1 (INFIN)
IPA95R450P7XKSA1 (INFIN)
IPD95R750P7ATMA1 (INFIN)
IPD95R450P7ATMA1 (INFIN)
IPD95R2K0P7ATMA1 (INFIN)
IPD95R1K2P7ATMA1 (INFIN)
IPN95R1K2P7ATMA1 (INFIN)
IPN95R2K0P7ATMA1 (INFIN)
IPN95R3K7P7ATMA1 (INFIN)
IPU95R3K7P7AKMA1 (INFIN)
IPU95R450P7AKMA1 (INFIN)
IPU95R1K2P7AKMA1 (INFIN)
IPU95R750P7AKMA1 (INFIN)