№8 / 2016 / статья 4

Тепловой расчет MOSFET при больших импульсных токах нагрузки

Алексей Попов (г.Воронеж), Сергей Попов (г. Воронеж)

В условиях применения в приложении с большими импульсными токами нагрузки силовые MOSFET с тонкими чипами и низким сопротивлением в проводящем состоянии обеспечивают значительное преимущество, но требуют аккуратного теплового расчета. В статье приводится образец такого расчета на примере MOSFET BSC014N04LS производства компании Infineon.

При совершенствовании проектов силовой электроники почти всегда приходится решать проблемы обеспечения приемлемых тепловых режимов работы. Особые сложности представляют варианты использования силовых полупроводниковых приборов в условиях, не оговоренных в технических условиях.

Каждое новое поколение MOSFET, как правило, обеспечивает значительный выигрыш по удельному сопротивлению в открытом состоянии (на единицу площади кристалла). Это означает, что при данных размерах чипа удается обеспечить значительно меньшее сопротивление RDS(on), по сравнению с приборами предыдущих поколений.

Улучшение параметра RDS(on) достигается всесторонней оптимизацией MOSFET: совершенствуется топология ячеек, уменьшаются их линейные размеры, для изготовления применяются все более тонкие пластины кремния. Последний фактор сказывается на тепловых характеристиках прибора. Использование тонких пластин уменьшает тепловое сопротивление между активной областью чипа и держателем кристалла, но одновременно снижает теплоемкость.

Необходимость учета изменений тепловых параметров MOSFET с более тонким кристаллом для каждого случая применения и для соответствующей оптимизации проекта создает определенные проблемы для разработчика силового оборудования. Стандартные характеристики MOSFET, приводимые в технических условиях и в библиотеках PSPICE, могут не давать полной картины переходных тепловых процессов для специальных случаев применения. Даже экспериментальная проверка с использованием тепловизора в случае быстро протекающих процессов при кратковременной перегрузке может не обеспечить надежных результатов по распределению температур с учетом корпуса MOSFET.

Высокоэффективные MOSFET с тонким кристаллом кремния, подобные 40…60 В транзисторам OptiMOSTM (производство Infineon), отличаются малым сопротивлением RDS(on) – примерно в два раза меньше, чем у приборов предыдущего поколения с аналогичной площадью чипа. Этого было бы невозможно достичь без уменьшения толщины чипа, которая составляет десятые доли миллиметра.

Помимо традиционных областей применения в качестве силовых полностью управляемых ключей и синхронных выпрямителей в импульсных источниках питания, современные высокоэффективные MOSFET широко используются в электроприводах беспроводного электроинструмента, например, шуруповертах. В этом оборудовании MOSFET должны выдерживать кратковременные перегрузки значительной величины. Типичной является ситуация, когда винт полностью закручен и электропривод работает «на упор». В течение времени порядка 1 с ток через MOSFET может многократно превышать номинальное значение.

Мощность потерь в приборе примерно пропорциональна квадрату рабочего тока, поэтому при перегрузке по току транзистор быстро нагревается. Но этот режим не должен приводить к аварии или снижать надежность. Одно из возможных решений – применение большого количества MOSFET, включаемых параллельно. Однако, это непрактично (или, в некоторых случаях, даже невозможно) из соображений большой стоимости решения и увеличения размеров. Другой путь – принять во внимание, что режим перегрузки является кратковременным и чередуется со сравнительно длительными интервалами небольших нагрузок. В этом случае можно предусмотреть тепловой аккумулятор. Во время длительных пауз энергия постепенно рассеивается, а температура MOSFET удерживается на безопасных уровнях. В качестве теплового аккумулятора надо, в первую очередь, рассматривать сам кремниевый чип MOSFET и медный держатель кристалла. Однако постоянная миниатюризация транзисторов ведет к уменьшению размеров – как чипа, так и корпуса. Оценки показывают, что теплоаккумулирующая способность миниатюрного корпуса, подобного SuperSO8 (TDSON-8), слишком мала.

Производители оборудования, применяющие MOSFET, могут использовать специальные печатные платы на металлическом основании (IMS) для установки силовых приборов в корпусах для поверхностного монтажа. Они имеют алюминиевое или медное основание (толщиной, как правило, от 0,5 до 3 мм), ламинированное изоляционным слоем с эпоксидным связующим. Поверх изоляции проходят медные печатные проводники и распаиваются SMD-компоненты. Такое металлическое основание может работать как эффективный тепловой аккумулятор.

Расчет тепловых режимов

Обычно в качестве исходных данных для тепловых расчетов используют характеристики из технических характеристик применяемого силового транзистора, нормирующих его тепловые свойства. Например, для современных MOSFET приводятся область безопасной работы (SOA) и переходное тепловое сопротивление (ZthjC). На рисунке 1 показаны эти характеристики для 40 В-OptiMOS MOSFET типа BSC014N04LS в корпусе SuperSO8 (5х6 мм), имеющего RDS(on) =1,4 мОм.

Рис. 1. Характеристики MOSFET типа BSC014N04LS: а) область безопасной работы; б) зависимость переходного теплового сопротивления «кристалл-корпус» от длительности импульса выделения мощности

Рис. 1. Характеристики MOSFET типа BSC014N04LS: а) область безопасной работы; б) зависимость переходного теплового сопротивления «кристалл-корпус» от длительности импульса выделения мощности

Как видно из рисунка 1, этот транзистор в первом приближении приходит в установившееся тепловое состояние за 10…20 мс. Сопоставление тепловых параметров для MOSFET разных поколений, имеющих примерно одинаковое сопротивление RDS(on), показывает, что размер кремниевого кристалла (его теплоаккумулирующая способность) играет роль только для очень коротких импульсов нагрузки – менее 100 мкс. При более длительной нагрузке выделяющаяся тепловая энергия не может накапливаться в чипе: поток тепла передается через пайку и кристаллодержатель на корпус прибора и рассеивается в окружающую среду. Это означает, что объем чипа MOSFET не играет сколько-нибудь заметной роли в случае импульса перегрузки продолжительностью около 1 с. Аналогичные результаты можно получить, исходя из оценки удельной теплоемкости материалов – кремния, припоя и меди – с учетом их объемов в MOSFET. Это тепловое поведение также отражается в эквивалентных параметрах тепловой схемы замещения PSPICE модели MOSFET.

Эквивалентная тепловая схема может изображать тепловые свойства силового полупроводникового прибора с учетом его монтажа, вплоть до металлического основания печатной платы. В качестве примера на рисунке 2 показана тепловая схема для MOSFET BSC014N04LS в корпусе SuperSO8 при установке на IMS адекватной стоимости.

Рис. 2. Развернутая тепловая модель MOSFET типа BSC014N04LS и его упрощенная эквивалентная тепловая схема первого порядка

Рис. 2. Развернутая тепловая модель MOSFET типа BSC014N04LS и его упрощенная эквивалентная тепловая схема первого порядка

Удельная теплопроводность изоляционного слоя подобной IMS составляет 1,3 Вт/(К•м) при толщине 76 мкм. Если предположить, что тепло распределяется однородно, расчетное превышение температуры транзистора составило бы ∆Т = 51К. Однако в реальных условиях при ограниченном времени действия перегрузки важную роль играют тепловые постоянные времени. Чисто математически тепловая постоянная времени в рассматриваемом примере составляет RTH•CTH = 4,43 (К/Вт)•0,4865 (Дж/К) = 2,155 с. Поэтому при длительности импульса менее 1 с распределение температур будет существенно неоднородным. Следовательно, реальное поведение – нагрев отдельных составляющих в системе – очень сильно отличается от идеализированной модели. Численное моделирование методом конечных элементов позволяет получить реалистичные значения температур в каждой точке системы и визуализировать эту картину. На рисунке 3 показано, как изменяются температуры при нагрузке рассматриваемого MOSFET мощностью 25 Вт в течение 1 с. Это приблизительно соответствует протеканию тока стока более 100 А при КЗАП = 100%, что типично для электропривода беспроводного шуруповерта.

Рис. 3. Термограммы MOSFET типа BSC014N04LS при импульсном выделении мощности 25 Вт в течение 1 с (через 50, 100, 400, 700 и 1000 мс от начала импульса)

Рис. 3. Термограммы MOSFET типа BSC014N04LS при импульсном выделении мощности 25 Вт в течение 1 с через 50, 100, 400, 700 и 1000 мс от начала импульса

Спустя несколько сотен миллисекунд с начала действия перегрузки пластмассовый корпус транзистора становится достаточно горячим, в то время как алюминиевое основание печатной платы все еще холодное. Через 1 с после начала импульса температура корпуса MOSFET превышает максимально-допустимую величину. Более детально зависимости повышения температуры со временем можно видеть на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость температур в контрольных точках от времени, прошедшего с начала импульса перегрузки

Рис. 4. Зависимость температур в контрольных точках от времени, прошедшего с начала импульса перегрузки

Благодаря хорошему тепловому контакту между чипом MOSFET и его медным держателем кристалла максимальная установившаяся разность температур между ними составляет всего 4 градуса (см. темно-красную и оранжевую линии на рисунке 4). Здесь также хорошо виден короткий – примерно 100 мс – интервал нелинейного изменения температуры, после которого тепловое поведение более-менее линейно. Этот интервал соответствует собственным тепловым постоянным времени транзистора, соответствующим рисунку 1.

Рисунок 4 также показывает, что вычисленные температурные зависимости можно достаточно просто пересчитать для других условий применения (в части выделяющейся в MOSFET мощности, относительной продолжительности нагрузки, начальной температуры, длительности импульса и тому подобных факторов) с приемлемой точностью. В случае меньшей мощности или меньшего коэффициента заполнения графики нарастания температуры пойдут пропорционально ниже. Сдвиг этих графиков вверх соответствует большей мощности. Линейность нарастания температуры после первых 100 мс позволяет распространить эти зависимости на более длительные нагрузки (больше 1 с).

Температура 143°С, достигаемая в рассматриваемом примере, находится вблизи предельно-допустимой для BSC014N04LS – 150°С. Поскольку расчет производился для наихудшего случая возможных сочетаний параметров, это дает некоторый запас при реальном применении. Конечно, ситуация будет неприемлемой, если, например, длительность перегрузки окажется больше 1 с или выделяющаяся мощность превысит 25 Вт. В этом случае надежность работы оборудования ухудшится. Одним из последствий может быть сокращение срока службы транзистора.

Есть несколько возможностей для улучшения параметров проекта. Следует заметить, что вследствие неравномерного распределения температуры алюминиевого основания печатной платы достигаемая максимальная температура чипа MOSFET слабо зависит от площади основания. Поэтому простое увеличение размеров платы неэффективно и ведет к неприемлемому росту стоимости. Значительно выгоднее наращивать толщину алюминиевого профиля, что увеличивает его теплоемкость и способствует поглощению энергии импульса перегрузки. Однако это также ведет к росту массы и стоимости оборудования. Другая возможность – применение IMS с улучшенной теплопроводностью изоляционного слоя, но это также сопряжено с ростом ее стоимости. Наконец, возможен выбор транзистора с улучшенными характеристиками. Разработчик оборудования может выбрать MOSFET, исходя из баланса технических и экономических характеристик.

Для рассматриваемого примера можно обратить внимание на транзисторы с меньшим сопротивлением в открытом состоянии. Например, BSC010N04LS (взамен BSC014N04LS) имеет RDS(on) = 1 мОм, что обеспечивает выигрыш по нагреву вкупе с дополнительным бонусом улучшенных коммутационных характеристик. Также следует обратить внимание на изделие BSC010N04LSI с интегрированным диодом Шоттки, который еще более улучшает коммутацию.

Заключение

Рассмотрен актуальный пример применения современного силового транзистора в составе электроинструмента в условиях сильной перегрузки. Показано, что уменьшение толщины кремниевого чипа MOSFET не является недостатком, несмотря на уменьшение его теплоемкости. Наоборот, тепловое поведение даже улучшается благодаря меньшему тепловому сопротивлению между активной областью кристалла и его держателем. Большое подспорье разработчику оборудования может оказать выбор оптимального прибора из ряда MOSFET, отличающихся площадью чипа и, соответственно, сопротивлением в открытом состоянии, допустимым током стока, зарядом в цепи затвора, тепловым сопротивлением, а также ценой. Для подобных применений Infineon предлагает два семейства высокоэффективных MOSFET: OptiMOS и StrongIRFET. Оба семейства занимают лидирующие позиции на рынке, обеспечивая ультрамалые значения RDS(on).

Транзисторы OptiMOS оптимизированы для получения малых коммутационных потерь, поэтому хорошо подходят для применения в преобразовательной технике с высокой частотой переключений, например, в качестве синхронных выпрямителей в импульсных источниках питания, в составе электроприводов с высокочастотной ШИМ, в микроинверторах фотоэлектрических установок, в преобразователях постоянного тока. В семействе OptiMOS имеются приборы с допустимым напряжением «сток-исток» от 20 до 300 В, с нормальным и логическим уровнями напряжения на затворе, в разнообразных корпусах для монтажа в отверстия и SMD, с различными размерами чипа. Это позволяет подобрать транзистор с оптимальными характеристиками для конкретного применения, не переплачивая за ненужные параметры. Для примера в таблицах 1 и 2 показан доступный ассортимент MOSFET OptiMOS на напряжения 40 и 60 В с нормальным уровнем напряжения управления. По сравнению с конкурентами эти транзисторы обеспечивают 15% выигрыш по RDS(on) и до 31% – по (RDS(on)•QG). Малые статические и коммутационные потери нового поколения OptiMOS увеличивают удельную мощность преобразовательной техники, а 40 В MOSFET с интегральным диодом Шоттки в корпусе SuperSO8 не только улучшает КПД, но и значительно уменьшает коммутационные выбросы напряжения, что уменьшает требования к демпфирующим цепочкам, снижает стоимость и упрощает проектирование.

Таблица 1. Номенклатура MOSFET с допустимым напряжением 40 В OptiMOS и StrongIRFET

Тип MOSFET RDS(on), мОм
(не более, при UЗИ = 10 В)
ID, А Корпус Семейство
IRFS7430TRL7PP 0,75 522 D2PAK-7pin StrongIRFET
IRFS7434TRL7PP 1 362 D2PAK-7pin StrongIRFET
IRF7739L1TRPBF 1 270 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IPB011N04N G 1,1 180 D2PAK-7pin OptiMOS
IRFS7430TRLPBF 1,2 426 D2PAK StrongIRFET
IRF7480MTRPBF 1,2 217 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IRFH7084TRPBF 1,25 265 PQFN 5х6 mm StrongIRFET
IRFB7430PBF 1,3 409 TO-220 StrongIRFET
IRFP7430PBF 1,3 404 TO-247 StrongIRFET
IRFH7004TRPBF 1,4 259 PQFN 5х6 mm StrongIRFET
IRF7946TRPBF 1,4 198 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IRFS7437TRL7PP 1,4 295 D2PAK-7pin StrongIRFET
BSB015N04NX3 G 1,5 180 CanPAK/DirectFET OptiMOS3
IPB015N04N G 1,5 120 D2PAK OptiMOS
IPP015N04N G 1,5 120 TO-220 OptiMOS
IRFS7434TRLPBF 1,6 320 D2PAK StrongIRFET
IRFB7434PBF 1,6 317 TO-220 StrongIRFET
BSC017N04NS G 1,7 100 TDSON-8 OptiMOS
IRF40H210 1,7 201 PQFN 5х6 mm StrongIRFET
IRFS7437TRLPBF 1,8 250 D2PAK StrongIRFET
BSC019N04NS G 1,9 100 TDSON-8 OptiMOS3
IPB020N04N G 2 140 D2PAK-7pin OptiMOS
IRFB7437PBF 2 250 TO-220 StrongIRFET
IRF7483MTRPBF 2,3 135 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IPB023N04N G 2,3 90 D2PAK OptiMOS
IPP023N04N G 2,3 90 TO-220 OptiMOS
IRFR7440TRPBF 2,4 180 DPAK StrongIRFET
IRFH7440TRPBF 2,4 159 PQFN 5х6 mm StrongIRFET
IRFB7440PBF 2,5 172 TO-220 StrongIRFET
IRFS7440TRLPBF 2,5 208 D2PAK StrongIRFET
BSC030N04NS G 3 100 TDSON-8 OptiMOS
IRFB7446PBF 3,3 123 TO-220 StrongIRFET
IRFH7446TRPBF 3,3 117 PQFN 5х6 mm StrongIRFET
IRFR7446TRPBF 3,9 120 DPAK StrongIRFET
IPP041N04N G 4,1 80 TO-220 OptiMOS
BSZ042N04NS G 4,2 40 TSDSON-8 OptiMOS
IRF40B207 4,5 95 TO-220 StrongIRFET
IRF40R207 5,1 90 DPAK StrongIRFET
BSZ105N04NS G 10,5 40 TSDSON-8 OptiMOS
BSZ165N04NS G 16,5 31 TSDSON-8 OptiMOS

Таблица 2. Номенклатура MOSFET с допустимым напряжением 60 В OptiMOS и StrongIRFET

Тип MOSFET RDS(on), мОм
(не более, при UЗИ = 10 В)
ID, А Корпус Семейство
IPT007N06N 0,75 300 HSOF-8-1 OptiMOS
IPB010N06N 1 180 D2PAK-7pin OptiMOS
IRFS7530TRL7PP 1,4 338 D2PAK-7pin StrongIRFET
IPB014N06N 1,4 180 D2PAK-7pin OptiMOS
BSC014N06NS 1,45 100 TDSON-8 OptiMOS
IRF7749L1TRPBF 1,5 200 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
BSC016N06NS 1,6 100 TDSON-8 OptiMOS
IPB017N06N3 G 1,7 180 D2PAK-7pin OptiMOS3
IRFS7534TRL7PP 1,95 255 D2PAK-7pin StrongIRFET
IRFB7530PBF 2 295 TO-220 StrongIRFET
IRFP7530PBF 2 281 TO-247 StrongIRFET
IRFS7530TRLPBF 2 295 D2PAK StrongIRFET
IPI020N06N 2 120 I2PAK OptiMOS
IPP020N06N 2 120 TO-220 OptiMOS
IRF7748L1TRPBF 2,2 148 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IRFS7534TRLPBF 2,4 232 D2PAK StrongIRFET
IRFB7534PBF 2,4 232 TO-220 StrongIRFET
IPI024N06N3 G 2,4 120 I2PAK OptiMOS3
IPP024N06N3 G 2,4 120 TO-220 OptiMOS3
IRFP3006PBF 2,5 270 TO-247 StrongIRFET
IPD025N06N 2,5 90 DPAK OptiMOS
IPP026N06N 2,6 100 TO-220 OptiMOS
BSB028N06NN3 G 2,8 90 CanPAK/DirectFET OptiMOS3
BSC028N06NS 2,8 100 TDSON-8 OptiMOS
IRF60DM206 2,9 130 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IPA029N06N 2,9 84 TO-220FP OptiMOS
IPB029N06N3 G 2,9 120 D2PAK OptiMOS3
IPI029N06N 2,9 120 I2PAK OptiMOS
IPP029N06N 2,9 120 TO-220 OptiMOS
IRFP3206PBF 3 200 TO-247 StrongIRFET
BSC031N06NS3 G 3,1 100 TDSON-8 OptiMOS3
IRFH7085TRPBF 3,2 147 PQFN 5*6mm StrongIRFET
IPA032N06N3 G 3,2 84 TO-220FP OptiMOS3
IPI032N06N3 G 3,2 120 I2PAK OptiMOS3
IPP032N06N3 G 3,2 120 TO-220 OptiMOS3
IRFP7537PBF 3,3 172 TO-247 StrongIRFET
IRFS7537TRLPBF 3,3 173 D2PAK StrongIRFET
IRFB7537PBF 3,3 173 TO-220 StrongIRFET
BSC034N06NS 3,4 100 TDSON-8 OptiMOS
IPD034N06N3 G 3,4 100 DPAK OptiMOS3
IRF7580MTRPBF 3,6 116 CanPAK/DirectFET StrongIRFET
IPB038N06N3 G 3,7 90 D2PAK OptiMOS3
IPD038N06N3 G 3,8 90 DPAK OptiMOS3
BSC039N06NS 3,9 100 TDSON-8 OptiMOS
IPI040N06N3 G 4 90 I2PAK OptiMOS3
IPP040N06N3 G 4 90 TO-220 OptiMOS3
IPA040N06N 4 69 TO-220FP OptiMOS
IPP040N06N 4 80 TO-220 OptiMOS
BSZ042N06NS 4,2 100 TSDSON-8 OptiMOS
IRLH5036TRPBF 4,4 100 PQFN 5*6mm StrongIRFET
IRFR7540TRPBF 4,8 110 DPAK StrongIRFET
IRFS7540TRLPBF 5,1 110 D2PAK StrongIRFET
IRFB7540PBF 5,1 110 TO-220 StrongIRFET
IRFH7545TRPBF 5,2 85 PQFN 5*6mm StrongIRFET
IPD053N06N 5,3 45 DPAK OptiMOS
IPA057N06N3 G 5,7 60 TO-220FP OptiMOS3
IPP057N06N3 G 5,7 80 TO-220 OptiMOS3
IPB057N06N 5,7 45 D2PAK OptiMOS
IRFB7545PBF 5,9 95 TO-220 StrongIRFET
IPA060N06N 6 45 TO-220FP OptiMOS
IPP060N06N 6 45 TO-220 OptiMOS
BSC066N06NS 6,6 64 TDSON-8 OptiMOS
BSZ068N06NS 6,8 40 TSDSON-8 OptiMOS
BSC076N06NS3 G 7,6 50 TDSON-8 OptiMOS3
BSZ076N06NS3 G 7,6 20 TSDSON-8 OptiMOS3
IRFR7546TRPBF 7,9 71 DPAK StrongIRFET
IRF60B217 9 60 TO-220 StrongIRFET
IPB090N06N3 G 9 50 D2PAK OptiMOS3
IPA093N06N3 G 9,3 43 TO-220FP OptiMOS3
IPP093N06N3 G 9,3 50 TO-220 OptiMOS3
BSC097N06NS 9,7 46 TDSON-8 OptiMOS
IRF60R217 9,9 58 DPAK StrongIRFET
BSZ100N06NS 10 40 TSDSON-8 OptiMOS
BSC110N06NS3 G 11 50 TDSON-8 OptiMOS3
BSZ110N06NS3 G 11 20 TSDSON-8 OptiMOS3
IPD400N06N G 40 27 DPAK OptiMOS

Транзисторы StrongIRFET оптимизированы для достижения рекордных токонесущих показателей и надежности при жестких условиях применения, хотя и предполагают работу при сравнительно невысокой частоте переключения. Они хорошо подходят для использования в зарядных устройствах АБ, электроприводах с коллекторными и бесконтактными двигателями в составе высококачественного электроинструмента и легкого электротранспорта, в различном промышленном оборудовании. Для управления транзисторами StrongIRFET с логическим уровнем достаточно UЗИ = 5 В, что упрощает построение систем с низковольтным батарейным питанием. Аналогично OptiMOS, семейство StrongIRFET образует плотные ряды приборов, что позволяет подобрать оптимальный транзистор для каждого сочетания условий применения. Ассортимент MOSFET StrongIRFET на напряжения 40 и 60 В с нормальным уровнем напряжения управления показан в таблицах 1 и 2, соответственно.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Infenion_NE_08_16

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения: , ,
Группы товаров: ,

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