№10 / 2011 / статья 3

Новые MOSFET компании IR: широкие выводы, увеличенный ток

Максим Соломатин (КОМПЭЛ)

Компания International Rectifier (IR) проводит расширение номенклатуры MOSFET по различным направлениям, одно из которых — достижение совершенных электрических параметров транзисторов: уменьшение сопротивления канала в открытом состоянии, уменьшение паразитных сопротивлений, емкостей и индуктивностей выводов, увеличение рабочих токов, повышение рабочих напряжений, уменьшение заряда затвора, увеличение быстродействия. Другое связано с увеличением эффективности использования приборов в готовых изделиях и обеспечением высоких удельных показателей по току и передаваемой мощности.

 

Новые MOSFET в корпусе SOT-23

Серия MOSFET в корпусе SOT-23 изначально не была предназначена для мощных применений, поскольку возможности для рассеивания тепла у корпуса очень скромны. Однако значительное уменьшение сопротивления ключа в открытом состоянии позволило значительно расширить диапазон коммутируемых токов. В сочетании с малой ценой этот тип корпуса стал особенно привлекателен для использования в мобильном секторе и для бюджетных маломощных преобразователей напряжения.

Основные требования для MOSFET-транзисторов, используемых в данных приложениях:

  • Низкое значение сопротивления в открытом состоянии- Rds(on);
  • Температурная стабильность без использования радиатора;
  • Низкое пороговое напряжение затвора Vth;
  • Конкурентная низкая цена.

Новое семейство p- и n-канальных MOSFET компании IR (см. таблицу 3) в стандартном корпусе SOT-23 имеет ультранизкое сопротивление открытого канала Rds(on) и предназначено для применения в зарядных устройствах аккумуляторных батарей, коммутаторах нагрузки, электроприводах, телекоммуникационном оборудовании, а также для использования в других приложениях.

Таблица 3. Параметры новых MOSFET в корпусах SOT-23  

Наименование BVdss, В Макс. Vgs, В Id макс. при 25°C, А ° Тип./Макс. Rds(on) при 10 В (мОм) Тип./Макс. Rds(on) при 4,5 В (мОм) Технология
IRLML9301 -30 -20 3,6 51/64 82/103 Gen 12.1
IRLML9303 2,3 135/170 220/275
IRFML8244 25 20 5,8 20/24 32/41 Gen 10.59
IRLML0030 30 5,2 22/27 33/40
IRLML2030 2,7 80/100 123/154
IRLML0040 40 16 3,6 44/56 62/78 Gen 10.7
IRLML0060 60 2,7 78/92 98/116
IRLML2060 1,2 356/460 475/620
IRLML0100 100 1,6 178/220 190/235

Новая линейка транзисторов перекрывает диапазон напряжений -30…100 В и имеет различные значения Rds(on) и заряда затвора (Qg), что обеспечивает широкий выбор при разработке компактных, эффективных, в том числе и по цене, решений.

Что отличает новые транзисторы в корпусе SOT-23 от предыдущих? Ответ можно получить, изучив технологию изготовления кристалла для данного корпуса.

На рис. 1 показана эволюция технологий компании International Rectifier, применяемых при изготовлении кристаллов для MOSFET в корпусах SOT-23.

Эволюция технологий IR для MOSFET в корпусе SOT-23

Рис. 1. Эволюция технологий IR для MOSFET в корпусе SOT-23

Новые технологии изготовления кристалла обеспечили MOSFET в корпусе SOT-23 преимущество перед основными конкурентами. При сохранении прежних размеров кристалла были получены более низкие значения Rds(on) и температурного сопротивления Rth(ja). В результате были достигнуты лучшие температурные параметры для корпуса SOT-23. Компания IR выпускает транзисторы в корпусах SOT-23 с кристаллами, изготовленными по технологиям Gen 10.7, 10.59, 12.1 и 12.2.

 

Параметры новых MOSFET-транзисторов в корпусах SOT-23

Как было отмечено выше, основными преимуществами новых приборов в корпусах SOT-23 являются меньшие Rds(on) и тепловое сопротивление корпуса. Для оценки преимущества новых транзисторов будут использоваться в основном только эти два параметра. Сопротивление канала MOSFET в сильной степени зависит от напряжения на затворе и от рабочей температуры. Для сравнительной оценки сопротивления в таблицах 1-7 приводятся данные для различных уровней напряжений на затворе. Эти данные особенно важны для транзисторов с малым пороговым напряжением.

Таблица 1. Сравнительные характеристики новых транзисторов в корпусе SOT-23 компании IR и Alpha & Omega Semiconductor (AO3400, AO3400A)

Наименование Тип./Макс. Rds(on) при 4,5 В и 25°C, мОм Тест. Rds(on) при 4,5 В и 25°C, мОм Макс. Rth(ja) (C/W)
IRLML6344 22/29 22 100
AO3400 19/33 25 125
AO3400A 19/32 20 125

 

Таблица 2. Сравнение параметров IRLM6244/6246 с ближайшими аналогами

Наименование Тип./Макс. Rds(on) при 2,5 В и 25°C, мОм Макс. тепловое сопротивление Rth(ja), (°C/Вт)
IRLML6244 22/27 100
IRLML6246 45/66 100
IRLML2502 50/80 100
FDN339 39/50 250

 

Таблица 4. Сравнение Rds(on) разных производителей для MOSFET в корпусе SOT-23 (для 30 В MOSFET)  

Vgs макс., В Tип./Макс. Rds(on), мОм Наименование Производители
при 10 В при 4,5 В
20 22/27 33/40 IRLML0030 IR
20 24/28 33/42 DMN3404L Diodes
20 35/42 45/54 PMV45EN NXP
20 36/45 45/58 Si2318DS Vishay
20 26/46 32/60 FDN359BN Fairchild
20 38/47 52/65 Si2306BDS Vishay
20 33/38 54/64 DMN3051L Diodes
12 45/55 50/70 NTR4170N OnSemi
20 42/53 50/70 RQK0303MGDQA Renesas
20 53/60 81/90 FDN357N Fairchild
20 55/70 80/105 Si2304BDS Vishay
20 65/85 105/125 NDS355AN Fairchild
20 80/100 123/154 IRLML2030 IR
20 80/100 125/145 MGSF1N03LT1 OnSemi
20 92/110 120/160 FDN361BN Fairchild
20 130/156 160/192 Si2308BDS Vishay
20 92/160 120/250 NDS351AN Fairchild
20 195/250 Si2328DS Vishay
20 –/250 –/400 IRLML2803 IR

 

Таблица 5. Новые MOSFET с логическим уровнем управления затвором в корпусе SOT-23  

Наименование BVdss, В Mакс. Vgs, В Id макс. при 25 °C, А Тип./Макс. Rds(on) при 4,5 В, мОм Тип./Макс Rds(on) при 2,5 В, мОм Технология
IRLML2244 -20 -12 -4,3 42/54 71/95 Gen 12.1
IRLML2246 -2,6 90/135 157/236
IRLML6244 20 12 6,3 16/21 22/27 Gen 12.2
IRLML6246 4,1 30/46 45/66
IRLML6344 30 5,0 22/29 27/37
IRLML6346 3,4 46/63 59/80

 

Таблица 6. Сравнительная таблица параметров новых MOSFET в корпусе SOT-23 с логическим уровнем управления затвором для напряжений 20 и 30 В  

Vdss, В Vgs max, В Тип./Макс. Rds(on), мОм Наименование Производитель
при 4,5 В при 2,5 В
20 12 16/21 22/27 IRLML6244 IR
8 18/22 21/26 AO3416 AOS
12 22/27 45/42 AO3420 AOS
8 25/31 30/37 Si2312BDS Vishay
12 29/43 45/63 IRLML6246 IR
12 35/45 50/80 IRLML2502 IR
8 41/50 52/63 AO3414 AOS
8 45/60 70/115 Si2302ADS Vishay
8 45/60 56/75 Si2302CDS Vishay
12 50/65 65/90 APM2324AA ANPEC
8 56/85 77/115 PMV56XN NXP
12 65/85 88/115 AP2302GN APEC
12 70/80 88/105 NTR4501N OnSemi
30 12 22/29 27/37 IRLML6344 IR
12 25/32 34/48 AO3400A AOS
< font size="1">12 27/33 43/52 AO3400 AOS
12 46/63 59/80 IRLML6346 IR
12 51/65 64/87 SSM3K316T Toshiba
12 52/71 64/87 SSM3K302 Toshiba
8 54/65 70/82 FDN337N Fairchild
12 55/68 70/85 Si2300DS Vishay

 

Таблица 7. Параметры транзисторов в корпусах SOT-23 предыдущих поколений  

Наименование BVdss, В Макс. Vgs, В Макс. Rds(on)
при 10 В, мОм
Макс. Rds(on)
при 4,5 В, мОм
Макс. Rds(on) при 2,7 В, мОм Макс. Rds(on) при 1,8 В, мОм
IRLML2803 30 20 250 400
IRLML2402 20 12 250 350
IRLML2502 45 80
IRLML6401 -12 8 50 85 125
IRLML6302 -20 12 600 900
IRLML6402 65 135
IRLML5103 -30 20 600 1000
IRLML5203 98 165

 

На рис. 2 показана зависимость сопротивления MOSFET в открытом состоянии от напряжения на затворе.

 

Типовая зависимость сопротивления MOSFET в открытом состоянии от напряжения на затворе

 

Рис. 2. Типовая зависимость сопротивления MOSFET в открытом состоянии от напряжения на затворе

По сравнению с AO3400A IRLML6344 имеет меньшую рабочую температуру корпуса при аналогичных режимах работы благодаря лучшему значению теплового сопротивления Rth(ja). На рис. 3 показана зависимость температуры корпуса от протекающего тока.

 

Зависимость температуры корпуса от протекающего тока

 

Рис. 3. Зависимость температуры корпуса от протекающего тока

IRLML6344, по сравнению с AO3400A, имеет меньшее сопротивление Rds(on), следовательно на нем будет меньше рассеиваться мощность, и корпус будет меньше нагреваться. Rds(on) IRLML6344 немного больше чем у конкурентов. Однако за счет более низкого значения теплового сопротивления Rth(ja) корпус IRLML6344 обеспечивает лучший теплоотвод по сравнению с конкурентами, а это обеспечивает возможность коммутации более высоких токов.

Зависимость температуры корпуса от протекающего тока для новых транзисторов IRLML62446246 по сравнению с MOSFET предыдущего поколения IRLML2502 и конкурентами (Fairchild FDN339) показана на рис. 4.

 

Зависимость температуры корпуса от протекающего тока для IRLML6244246 по сравнению IRLML2502 и FDN339

 

Рис. 4. Зависимость температуры корпуса от протекающего тока для IRLML62446246 по сравнению IRLML2502 и FDN339

Основная стратегия разработок IR следующая: для каждого семейства приборов обеспечивать лучшие параметры при меньшей цене. Новый транзистор IRLML6246 имеет более привлекательную цену по сравнению с IRLML2502 при аналогичных параметрах. Кроме того, IRLML6244 обеспечивает более низкую (на 40°С) температуру корпуса по сравнению с IRLML2502, работая в идентичных режимах.

В настоящее время для стандартного управления затвором компания IR имеет широкую номенклатуру MOSFET-транзисторов в корпусе SOT-23, производимых по технологиям 10.59, 10.7 и 12.1.

Имея одинаковую с IRLML2030 цену, IRLML0030 в том же корпусе обеспечивает лучшие параметры.

Новые семейства MOSFET в стандартных корпусах SOT-23 в большинстве случаев могут быть использованы в качестве аналогичной замены для приборов предыдущих поколений.

 

Система обозначений MOSFET в корпусе SOT-23

В обозначении MOSFET в корпусе SOT-23 содержится расшифровка управляющего напряжения на затворе, типа корпуса, технологии кристалла, уровня напряжения на стоке и размер кристалла. Пример обозначения нового транзистора в корпусе SOT-23:

 

IR L ML 6 2 44 TR PBF.

 

L — уровни управляющих напряжений (тип управления):

  • F — только стандартный или стандартный с возможностью управления логическими уровнями напряжений;
  • L — управление логическими уровнями, а также возможность управления низкими логическими уровнями сигналов.

Стандартный тип — транзистор открыт при уровнях напряжения на затворе 10…20 В.

Логический уровень — транзистор открыт при напряжении на затворе 4,5 В (max Vgs 16 или 12 В).

Низкие уровни управления — транзистор открыт при низком напряжении на затворе 2,5 В (max Vgs 8 В)

 

ML — тип корпуса:

  • Нет суффикса- SO-8 или DirectFET;
  • H — PQFN 5×6;
  • HM — PQFN 3,0×3,0 или 3,3×3,3;
  • HS — PQFN 2×2;
  • R — DPAK;
  • T — TSSOP-8;
  • TS — TSOP-6;
  • ML — SOT-23.

 

1-я цифра — технология:

  • 6 — Gen 12.2 (напряжение на затворе 12 В);
  • 8 — Gen 10.59 (напряжение на затворе 20 В);
  • 9 — Gen 12.1 (напряжение на затворе 20/25 В);
  • 2 — Gen 12.1 (напряжение на затворе 12 В ).

 

2-я цифра — Максимальное напряжение на стоке:

  • 3 — 30 В;
  • 2 — 25 или 20 В.

 

3-я и 4-я цифры — размер кристалла:

  • Один кристалл в корпусе — от 0 до 49;
  • Два кристалла — от 50 до 79 (Single +30).

Внимание! Система обратная: чем выше номер, тем меньше размер кристалла!

 

MOSFET с широкими выводами
в корпусе TO-262 WideLead

Перед тем как перейти к рассмотрению достоинств новых корпусов с широкими выводами WideLead TO-262, рассмотрим ограничения, свойственные стандартному корпусу TO-262.

 

Ограничения корпуса TO-262

 

Рис. 5. Ограничения корпуса TO-262

Стандартный корпус TO-262 отличается от D2Pak более длинными выводами. Он используется для монтажа через отверстия печатной платы. Сопротивление выводов определяется суммой сопротивлений проволочных соединений «кристалл — рамочные выводы» и сопротивлений объемных выводов стока и истока. Сопротивление выводов корпуса довольно высокое и сравнимо с Rds(on) самого кристалла. Очевидно, что при больших значениях тока на выводах будет рассеиваться значительная мощность, что приведет к их нагреву. Таким образом, сопротивление выводов ограничивает рабочий диапазон тока транзистора и снижает эффективность силового прибора.

 

Преимущества новых корпусов WideLead TO-262

Новый корпус с широкими выводами WideLead TO-262 разрабатывался компанией IR последние несколько лет. Первое, что отличает этот корпус от обычного — это более широкие выводы у стока и истока, что и определяет название корпуса — Wide Lead. За счет большей ширины выводов их сопротивление уменьшилось на 50% по сравнению с TO-262. Изменилась и технология проволочных соединений кристалла с объемными выводами внутри корпуса. Для соединения используются несколько микропроволочек вместо одной, что позволило значительно уменьшить сопротивление соединения и, в целом, снизить сопротивление Rds(on) на 20%. При этом используется тот же самый кристалл, что и для монтажа в корпусе обычного TO-262. Более широкие выводы и улучшенная система соединения позволили довести максимально допустимый ток транзистора до 240 A. Размер корпуса и его посадочное место для монтажа на печатной плате остались прежними.

 

Преимущества корпуса WideLead по отношению к обычному TO-262

 

Рис. 6. Преимущества корпуса WideLead по отношению к обычному TO-262

Есть только одно различие — размеры кончиков выводов стока и истока, вставляемые в монтажные отверстия, шире, чем для обычного ТО-262, т.е. топология отверстий посадочного места несколько иная. Это необходимо учесть при разработке новых модификаций приборов, где предполагается замена TO-262 на аналогичные транзисторы, но в корпусах WideLead.

Впервые IR использовала корпуса WideLead для того, чтобы, улучшить параметры MOSFET, предназначенных для работы в тяжелых условиях эксплуатации, например, в автомобилях, в том числе в электромобилях и в электроприводах «гибридов». «Автомобильное» семейство имеет в названии префикс AU. В новых транзисторах AUIRF1324WL и AUIRF3004WL использовались те же самые кристаллы, что и в транзисторах AUIRF1324L и AUIRFSL3004, выпускаемых ранее в обычных корпусах ТО-262.

В таблице 8 приведены основные параметры новых транзисторов в корпусах TO-262WL.

 

Таблица 8. Основные параметры HEXFET MOSFET в корпусе TO-262 WL  

Наименование BVdss, В VGs макс., В Rds (on) макс. при 10 В, мОм Id при T – 25°C, A Id при T– 100°C, A Qg Typ, нКл Qgd Typ, нКл Rth(JC), кОм/Вт Мощность рассеяния при T – 25°C, Вт
AUIRF1324WL 24 20 1,3 382 270 120,0 36,0 0,50 300
AUIRF3004WL 40 20 1,4 386 273 140,0 49,0 0,40 375

 

Таблица 9 показывает преимущества транзисторов в корпусах WideLead — низкое сопротивление в открытом состоянии и расширение токового диапазона.

 

Таблица 9. Сравнение характеристик семейств транзисторов 1324 и 3004 в корпусах TO-262 и TO-262WL

 

  Семейство 1324 Семейство 3004
Корпус TO-262 WideLead TO-262 TO-262 WideLead TO-262
Наименование AUIRF1324L AUIRF1324WL AUIRFSL3004 AUIRF3004WL
Vdss, В 24 24 40 40
Rds(on) max, мОм 1,65 1,3 1,75 1,4
Id max, А 195 240 195 240

 

 

На рисунке 7 показаны результаты сравнительного тестирования MOSFET семейства 1324 в обычном и WideLead корпусах. При тестировании проводился мониторинг температуры выводов корпусов транзисторов при различных значениях тока в нагрузке. Зеленая линия — температура на выводах WideLead, фиолетовая — на стандартном корпусе TO-262. Разница впечатляющая — достаточно обратить внимание на точку 60 A.

 

Температура выводов корпусов TO-262 и TO-262WL при различных токах

 

Рис. 7. Температура выводов корпусов TO-262 и TO-262WL при различных токах

Из рисунка видно, что WideLead обеспечивает теплоотвод на 40% лучше по сравнению с TO-262. Выводы корпуса имеют меньшую температуру, поскольку обладают меньшим сопротивлением. Следовательно, при таком же токе можно сократить расходы на теплоотвод или использовать более дешевый материал для печатной платы, от которого не требуется работа на повышенных температурах. Если взглянуть с другой стороны, то новый корпус при сохранении той же рабочей температуры и конструкции охлаждения обеспечивает передачу больших токов в нагрузку, что расширяет возможности силового прибора.

На рис. 8 показаны термопрофили транзисторов серии 1324 в обычном корпусе TO-262 и в WideLead TO-262.

 

Корпус WideLead обеспечивает лучшие условия охлаждения кристалла

 

Рис. 8. Корпус WideLead обеспечивает лучшие условия охлаждения кристалла

 

Рабочие режимы сравниваемых транзисторов одинаковые — ток 60 А. А вот температуры переходов транзисторов и сам профиль существенно отличаются. Корпус WideLead обеспечил более низкую температуру перехода транзистора — всего 73°С (против 126°С у обычного ТО-262). Также следует отметить, что распределение температуры системы «корпус — печатная плата» для WideLead более плавное и не содержит резких температурных переходов. Наличие резких температурных переходов приводит к возникновению перегрева участков платы и может привести к деформации и деградации печатных проводников, а также к деградации паяного соединения.

Применение корпуса WideLead обеспечивает:

  • Уменьшение сопротивления Rds(on) на 20%;
  • Уменьшение сопротивление выводов на 50%;
  • Температура выводов меньше на 39%;
  • Увеличение максимального тока до 240А.

На системном уровне это способствует уменьшению потерь проводимости, снижению цены и улучшению эффективности преобразования энергии.

 

Литература

1. Новинки MOSFET в стандартных корпусах. Максим Соломатин (КОМПЭЛ). Новости Электроники №7 2010 г.

2. Next Generation Automotive. Compact and efficient power electronics enablers. By Benjamin Jackson, Product Manager, Automotive MOSFETs, International Rectifier. Power Systems Design Europe July/August 2010.

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

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики: