№6 / 2017 / статья 4

600V CoolMOS™ P7 компании Infineon: особенности и преимущества новейших MOSFET

Вячеслав Морозов (г. Ростов-на-Дону)

МОП-транзисторы 600V CoolMOS™ P7 от Infineon – это SMD-корпус, высокий КПД, малое значение RDS(on), быстрое переключение, бюджетная цена и простота использования. Все перечисленное делает их незаменимыми на рынке потребительской электроники.

Новые МОП-транзисторы 600V CoolMOS™ P7, производимые компанией Infineon по усовершенствованной технологии Superjunction (SJ), демонстрируют значительный прогресс в повышении эффективности силовых преобразовательных устройств наряду с простотой использования. Это – весьма привлекательное решение по соотношению «цена/качество» для различных приложений. Благодаря конструктивно-технологическим особенностям новой линейки МОП-транзисторов реализуется ряд проектных требований, таких как устойчивость к электростатическим разрядам, отсутствие паразитных колебательных процессов, устойчивость внутреннего диода к стрессовым воздействиям. А это, в свою очередь, упрощает разработку электронных устройств.

MOSFETs 600V CoolMOS™ P7 являются устройствами универсального применения и подходят для топологий как с жесткой, так и с мягкой коммутацией, например, ККМ (корректоров коэффициента мощности) и резонансных преобразователей LLC (преобразователей постоянного напряжения с резонансной цепью, обеспечивающей переключение транзисторов в нуле напряжения). Эта особенность 600V CoolMOS™ P7 является значительным преимуществом, особенно в недорогом сегменте рынка, в котором находятся новые транзисторы.

Особенности и преимущества новых MOSFETs

МОП-транзисторы 600V CoolMOS™ P7 с максимальным напряжением «сток-исток» 600 В представляют собой следующий этап в улучшении характеристик кремниевых МОП-транзисторов и базируются на технологии 600V CoolMOS™ C7. В то время как линейка C7 развивает стратегию улучшения коммутационных характеристик МОП-транзисторов с целью получения максимального КПД во всех приложениях, включая ККМ и высоковольтные преобразователи LLC, в линейке P7 параметры, обеспечивающие быстрое переключение транзистора, реализованы в сочетании с требованиями простоты использования, что позволяет разработчику осуществить быстрое внедрение новых транзисторов в изделие.

Проблема быстрой реализации проекта на силовых МОП-транзисторах наиболее актуальна для рынка потребительской электроники, особенно для телевизоров (ТВ) и персональных компьютеров (ПК). На типовой печатной плате ТВ имеется достаточно много свободного места, вследствие чего для снижения стоимости источника питания широко применяются комбинированные микросхемы управления, включающие в себя контроллер ККМ и контроллер резонансного преобразователя LLC. При размещении комбинированной микросхемы между двумя каскадами схемы, ККМ и LLC, выбор расстояния от контроллера до силовых МОП-транзисторов осуществляется путем некоторого компромисса, в результате чего паразитные индуктивности и емкости проводников печатной платы могут возрасти до критического уровня, при котором возникнут нежелательные колебательные процессы, например, на затворе МОП-транзистора.

Для эффективного управления процессом разработки необходимо использовать MOSFETs, мало подверженные паразитным колебаниям. MOSFETs, используемые в резонансном преобразователе LLC, должны выдерживать режим жесткой коммутации без повреждения внутреннего диода, что показывает важность такого проектного требования, как простота использования. С другой стороны, рынок ТВ предъявляет все более высокие требования к удельной мощности источников питания, что требует повышения их КПД с целью уменьшения площади поверхности, используемой для охлаждения, или для перехода на электронные компоненты поверхностного монтажа (SMD).

Именно таким образом была достигнута оптимизация в МОП-транзисторах 600V CoolMOS™ P7, сочетающая простоту использования с высоким КПД и возможностью использовать транзисторы с предельно низкими значениями RDS(on) в корпусах SMD (таблица 1).

Таблица 1. Отличительные особенности и преимущества МОП-транзисторов P7

Отличительные особенности Преимущества для потребителей
Оптимизированная величина внутреннего сопротивления Rg обеспечивает малую восприимчивость затвора транзисторов линейки P7 к колебательным процессам и низкие коммутационные потери транзистора Разработчик может управлять эффективностью преобразовательных устройств с помощью внешних компонентов, определяющих коммутационные характеристики МОП-транзистора
Встроенный защитный диод затвора обеспечивает устойчивость к электростатическому разряду с напряжением не менее 2 кВ (HBM*) для всей линейки P7 Обеспечивает высокое качество готовой продукции в условиях серийного производства
Внутренний диод устойчив к режиму жесткой коммутации Все МОП-транзисторы линейки P7 могут использоваться в силовых преобразовательных устройствах с жесткой и мягкой коммутацией, например, в ККМ и резонансных преобразователях LLC
Широкий ассортимент МОП-транзисторов в корпусах для штыревого и поверхностного монтажа с большим диапазоном RDS(ON) Возможность применения в изделиях как промышленного, так и потребительского назначения
Сбалансированное соотношение показателей качества, простоты использования и цены
* – HBM (Human Body Model) – электрическая схема замещения тела человека, используемая при испытаниях электронных компонентов на устойчивость к электростатическому разряду.

Технология изготовления

В высоковольтных MOSFETs, выполненных по «традиционной» планарной технологии (рисунок 1) высокое значение напряжения «сток-исток» достигается комбинацией толстого эпитаксиального и слаболегированного слоев. Вследствие этого сопротивление транзистора в открытом состоянии примерно на 95% определяется областью стока и не может быть уменьшено аналогично тому, как это реализовано в низковольтных транзисторах, где, благодаря V-образным ячейкам с малым шагом между ними, дрейфовая область стока дает только примерно 30% сопротивления транзистора в открытом состоянии.

Рис. 1. Сравнение полупроводниковой структуры Planar и Superjunction MOSFE T

Рис. 1. Сравнение полупроводниковой структуры Planar и Superjunction MOSFE T

Удельное сопротивление эпитаксиальной области дрейфа с оптимальным распределением легирующей примеси для заданного максимального напряжения «сток-исток» показано на рисунке 2 в виде предельной пунктирной линии, которая до недавнего времени была барьером, ограничивающим возможность улучшения характеристик высоковольтных МОП-транзисторов. Существование предельной линии было теоретически обосновано авторами Чен и Ху в конце 1980-х годов [1] и являлось физико-технологическим фактором, ограничивавшим предельно достижимые характеристики МОП-транзисторов вплоть до разработки компанией Siemens (в настоящее время – Infineon) линейки CoolMOS™ — первых коммерчески доступных МОП-транзисторов, изготовленных по технологии SJ [2, 3].

В 1999 году в транзисторах CoolMOSTM впервые применили новую структуру стока, реализующую концепцию SJ (рисунок 1) на основе двух ключевых принципов. Во-первых, область основного пути протекания тока легирована намного сильнее по сравнению с традиционными высоковольтными МОП-транзисторами, что снижает сопротивление транзистора в открытом состоянии. Однако без вертикальных областей p-типа, расположенных ниже ячейки и образующих структуру компенсации заряда, транзистор будет иметь гораздо более низкое рабочее напряжение из-за сильно легированной области n-типа. Точно рассчитанные размеры и уровень легирования областей p-типа представляют собой компенсационную структуру, которая уравновешивает сильнолегированный токовый путь и создает зону пространственного заряда с нулевым средним значением, обеспечивая тем самым высокое значение напряжения «сток-исток».

Данная конструкция транзистора позволяет уменьшить удельное сопротивление канала, что дает снижение потерь проводимости, а также сопутствующий положительный эффект в виде значительного уменьшения площади кристалла и, соответственно, уменьшения паразитных емкостей и динамических потерь, что было реализовано уже в первом поколении транзисторов CoolMOS™. Технология SJ позволила преодолеть предельную линию кремния (рисунок 2) и в дальнейшем уменьшить все виды потерь с новой более тонкой структурой, реализованной в CoolMOS™ P7 [4, 5].

Рис. 2. Сравнение технологического уровня МОП -транзисторов серии 600V CoolMOS™ разных поколе- ний с МОП -транзисторами, выполненными по традиционной технологии

Рис. 2. Сравнение технологического уровня МОП -транзисторов серии 600V CoolMOS™ разных поколений с МОП -транзисторами, выполненными по традиционной технологии

Рис. 3. Схематическое сравнение внутренней структуры ячеек транзисторов 600V CoolMOS™ P6 и P7

Рис. 3. Схематическое сравнение внутренней структуры ячеек транзисторов 600V CoolMOS™ P6 и P7

В новом транзисторе 600V CoolMOS™ P7 усовершенствованная технология производства позволила снизить удельное сопротивление RDS(on) до величины менее 1 Ом•мм2. В сочетании с некоторыми изменениями геометрии ячейки это позволило уменьшить все паразитные емкости транзистора, тем самым улучшив показатели качества (FOM, связанные с их коммутационными характеристиками, а также эксплуатационные характеристики изделий с применением новых МОП-транзисторов [5].

На рисунке 3 схематически показана концепция улучшения характеристик MOSFETs серии P7 по сравнению с серией P6: в сечении ячейки P7 компенсационные структуры расположены более часто за счет большего соотношения высоты и ширины структуры. Конфигурация компенсационных структур нового поколения CoolMOS™ является более сложной в производстве и использует технологические достижения компании Infineon из ряда смежных областей, однако дает значительные преимущества, описанные ниже.

Сравнение параметров серий P6 и P7

Для оптимального выбора и правильного применения новой линейки МОП-транзисторов в конкретных приложениях необходимо иметь четкое представление об их технологических особенностях по сравнению с МОП-транзисторами предыдущего поколения. Наиболее очевидным преимуществом транзистора 600V CoolMOS™ P7 является существенно меньшее удельное сопротивление RDS(on) (таблица 2) достигнутое при меньшей активной площади кристалла. Следствием этого является возможность получения меньшего сопротивления RDS(on) для транзисторов, размещенных в корпусах меньшего размера, например, 60 мОм в корпусе TO-220/TO-220FP или 65 мОм в корпусе ThinPAK 8×8. С другой стороны, меньшие размеры корпуса, например, TO-220 по сравнению с TO-247, уменьшают паразитные индуктивности выводов, что невозможно было реализовать в транзисторах предыдущего поколения из-за больших размеров кристалла. Уменьшение паразитной индуктивности в цепи, соединяющей выход драйвера с затвором транзистора, позволяет снизить коммутационные потери. Данные технологические особенности новых МОП-транзисторов позволяют достичь высоких значений удельной мощности силовых преобразовательных устройств, потребность в которых имеется в настоящее время на рынке силовой электроники.

Таблица 2. Сравнение 600V CoolMOS™ P6, P7 с образцами 1 и 2 других производителей в классе RDS(on) = 190 мОм

Наименование параметра Обозначение Образец №1 Образец №2 P6, 190 мОм P7, 180 мОм
Максимальное сопротивление во включенном состоянии при 25°C, мОм RDS(on) 190 190 190 180
Постоянный ток стока при 25°C, А ID, cont 15,8 18 17,5 18
Максимальный ток стока при 25°C, А ID, pulse 63,2 72 57 53
Типичное значение заряда «затвор-исток», нКл QGS 9 6 11 6
Типичное значение заряда «затвор-сток», нКл QGD 16 12 13 8
Типичное значение полного заряда затвора, нКл QG 38 29 37 25
Типичное значение Ciss при 400 В, пФ Ciss 1350 1060 1750 1081
Типичное значение Coss при 400 В, пФ Coss 35 55 76 19
Энергия заряда выходной емкости, мкДж Eoss 4,5 4,7 4,9 2,7
Типичное эффективное значение выходной емкости по энергии заряда, пФ Co(er) 55 258 61 33
Максимальная скорость нарастания напряжения МОП-транзистора, В/нс dv/dt 50 50 100 80
Максимальная скорость нарастания обратного напряжения диода, В/нс dv/dt 15 15 15 50
Максимальная скорость нарастания тока диода, А/мкс diF/dt 400 500 900
Типичное значение заряда обратного восстановления диода, мкКл Qrr 2,9 4 4 1,3
Максимальное значение тока обратного восстановления диода, А Irrm 23 24 25 15

Линейка МОП-транзисторов 600V CoolMOS™ P7

В линейке 600V CoolMOS™ P7 используется та же система нумерации, что и в линейке P6, например, IPP60R190P6, где “I” означает Infineon Technologies, “P” – силовой МОП-транзистор, следующая буква “P” – корпус TO-220, “60” – класс напряжения (максимальное напряжение «сток-исток», деленное на 10), “R190” – сопротивление в открытом состоянии в Ом и “P7” – название серии. Основные параметры линейки транзисторов CoolMOS ™ P7, выпускаемых в настоящее время серийно, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Линейка 600V CoolMOS™ P7

Наименование транзистора Полное наименование Тип корпуса VDS,max, В RDS(on), мОм ID,max, А QG, нКл
IPD60R180P7 IPD60R180P7ATMA1 DPAK (TO-252) 600 180 18 25
IPD60R360P7 IPD60R360P7ATMA1 360 9 13
IPD60R280P7 IPD60R280P7ATMA1 280 12 18
IPD60R600P7 IPD60R600P7ATMA1 600 6 9
IPL60R185P7 IPL60R185P7AUMA1 ThinPAK 8×8 185 19 25
IPL60R365P7 IPL60R365P7AUMA1 365 10 13
IPP60R060P7 IPP60R060P7XKSA1 TO-220 60 48 67
IPP60R080P7 IPP60R080P7XKSA1 80 37 51
IPP60R099P7 IPP60R099P7XKSA1 99 31 45
IPP60R120P7 IPP60R120P7XKSA1 120 26 36
IPP60R180P7 IPP60R180P7XKSA1 180 18 25
IPP60R280P7 IPP60R280P7XKSA1 280 12 18
IPP60R360P7 IPP60R360P7XKSA1 360 9 13
IPP60R600P7 IPP60R600P7XKSA1 600 6 9
IPA60R060P7 IPA60R060P7XKSA1 TO-220 FullPAK 60 48 67
IPA60R080P7 IPA60R080P7XKSA1 80 37 51
IPA60R099P7 IPA60R099P7XKSA1 99 31 45
IPA60R120P7 IPA60R120P7XKSA1 120 26 36
IPA60R180P7 IPA60R180P7XKSA1 180 18 25
IPA60R280P7 IPA60R280P7XKSA1 280 12 18
IPA60R360P7 IPA60R360P7XKSA1 360 9 13
IPA60R600P7 IPA60R600P7XKSA1 600 6 9
IPAW60R180P7S IPAW60R180P7SXKSA1 TO-220 FullPAK Wide Creepage* 180 18 25
IPAW60R280P7S IPAW60R280P7SXKSA1 280 12 18
IPAW60R360P7S IPAW60R360P7SXKSA1 360 9 13
IPAW60R600P7S IPAW60R600P7SXKSA1 600 6 9
IPW60R037P7 IPW60R037P7XKSA1 TO-247 37 76 121
IPW60R060P7 IPW60R060P7XKSA1 60 48 67
IPW60R080P7 IPW60R080P7XKSA1 80 40 51
IPW60R099P7 IPW60R099P7XKSA1 99 34 45
IPW60R120P7 IPW60R120P7XKSA1 120 29 36
IPW60R180P7 IPW60R180P7XKSA1 180 18 25
IPZ60R037P7 IPZ60R037P7XKSA1 TO-247-4 37 76 121

В данной линейке использованы инновационные решения, реализованные в серии CoolMOS™ C7, к числу которых относятся:

  • четырехвыводной корпус TO-247, который позволяет улучшить характеристики транзистора в диапазоне больших мощностей благодаря дополнительному выводу истока с соединением Кельвина, а также увеличенному зазору между выводами;
  • значительно меньшее значение RDS(on),max по сравнению с аналогичными транзисторами в корпусах TO-220. По сравнению с применением широко распространенных корпусов TO-247, использование корпуса TO-220 позволяет уменьшить примерно на 50% индуктивность вывода истока и примерно на 50% – площадь посадочного места;
  • значительно меньшее значение RDS(on),max по сравнению с аналогичными транзисторами в корпусах ThinPAK. Уменьшенная паразитная индуктивность выводов истока позволяет увеличить скорость переключения транзистора и повысить КПД устройства;
  • большая номенклатура линейки CoolMOS™ P7 с оптимальной дискретностью параметров позволяет разработчикам силовых преобразовательных устройств найти компромисс для улучшения характеристик своих устройств;
  • линейка CoolMOS™ P7 включает в себя МОП-транзисторы промышленной и стандартной категорий;
  • корпус TO-220 FullPAK Wide Creepage позволяет повысить надежность готовой продукции благодаря увеличенному зазору между выводами.

Заключение

Новейшая технология CoolMOS™ P7 компании Infineon имеет следующие отличительные особенности:

  • Наилучшее сочетание параметров для целевых рынков сбыта
    • значительное уменьшение коммутационных потерь (-50% потерь на перезаряд выходной емкости Eoss, -30% потерь на перезаряд затвора Qg, -20% потерь на выключение;
    • наименьшая величина сопротивления в открытом состоянии RDS(on) для каждого типа корпуса (60 мОм для TO-220, 65 мОм для ThinPAK,);
    • наличие транзисторов в корпусах малых размеров.
  • Современный уровень в области простоты использования
    • малая склонность к генерированию паразитных колебаний;
    • внутренний диод с наилучшей в своем классе устойчивостью к большой скорости нарастания обратного напряжения dv/dt и прямого тока dif/dt, сопоставимой с устойчивостью быстрых внутренних диодов транзисторов серии CFD2;
    • сглаженный коммутационный процесс;
    • устойчивость к электростатическому разряду напряжением более 2 кВ (HBM).
  • Лучшие в своем классе коммерческие факторы
    • лучшее соотношение цены и качества;
    • 60 наименований линейки в корпусах девяти различных типов;
    • дискретность RDS(on) линейки транзисторов в диапазоне 37…600 мОм;
    • доступность транзисторов в корпусах промышленной и стандартной категорий;
    • большой набор различных применений и широкий диапазон мощностей.

В процессе испытаний в реальных приложениях было продемонстрировано, что МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 с меньшим показателем FOM обеспечивают более высокий КПД в сочетании с более простым переходом на новый тип транзисторов по сравнению с наиболее распространенными аналогами.

Характеристики этих MOSFET позволяют разработчикам проектировать силовые импульсные преобразователи, обладающие высоким КПД, большой плотностью мощности, высокой надежностью и тепловым режимом без перегрева элементов. В долгосрочной перспективе МОП-транзисторы линейки CoolMOS™ P7 являются лучшим решением по соотношению «цена/качество».

Литература

  1. X. B. Chen and C. Hu, Optimum doping profile of power MOSFET’s epitaxial Layer. IEEE Trans.Electron Devices, vol. ED-29, pp. 985-987, 1982.
  2. T. Fujihira: “Theory of Semiconductor superjunction Devices”, Jpn.J.Appl.Phys., Vol. 36, pp. 6254-6262, 1997.
  3. Deboy, G., März, M., Stengl, J. Strack, H., Tihanyi, J. and Wever, H., A New Generation of High Voltage MOSFETs Breaks the Limit of Silicon. Proc. IEDM 98, San Francisco, Calif., December 1998, pp. 26.2.1- 26.2.3.
  4. G. Deboy, F. Dahlquist, T. Reimann and M. Scherf: Latest Generation of superjunction Power MOSFETs Permits the use of Hard-switching Topologies for High Power Applications. Proceedings of PCIM Nürnberg, 2005, pp. 38-40.
  5. Hancock, J. M.: Advancing Performance in HV Semiconductors Enables Hard Switching Topologies, Proceedings of Power Electronics Technology Conference, October 2005, on CD-ROM.

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

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
IPP60R190P6XKSA1 (INFIN) 4 839 1.3226 $ 77.59 руб. от 122 шт
IPD60R180P7ATMA1 (INFIN) 14 649 1.2198 $ 71.56 руб. от 410 шт
IPD60R360P7ATMA1 (INFIN) 3 302 0.7205 $ 42.27 руб. от 694 шт
IPD60R600P7ATMA1 (INFIN) 8 732 0.6793 $ 39.85 руб. от 737 шт
IPL60R185P7AUMA1 (INFIN) 9 693 1.5704 $ 92.12 руб. от 319 шт
IPL60R365P7AUMA1 (INFIN) 9 777 1.1229 $ 65.87 руб. от 446 шт
IPP60R180P7XKSA1 (INFIN) 1 138 1.3537 $ 79.41 руб. от 370 шт
IPP60R360P7XKSA1 (INFIN) 2 465 0.8710 $ 51.09 руб. от 500 шт
IPP60R600P7XKSA1 (INFIN) 2 195 0.7180 $ 42.11 руб. от 697 шт
IPA60R180P7XKSA1 (INFIN) 1 464 1.4002 $ 82.14 руб. от 358 шт