№1 / 2018 / статья 7

CoolMOS P7: баланс эффективности и простоты использования в силовых преобразователях

Стефан Геймерит, Тамара Краппингер (Infineon)

Сочетание высокой скорости коммутации и простоты использования делает серию МОП-транзисторов CoolMOS™ P7 производства Infineon идеальной для применения как в маломощных (бытовые приборы, ПК), так и в мощных (телекоммуникации, центры обработки данных) источниках питания.

Нас окружают устройства, питающиеся от источников электроэнергии. Мобильный телефон в кармане, ноутбук на работе, телевизор в нашей гостиной, серверы сети Интернет и электромобиль в гараже – работа всех их зависит от источников электропитания, каждое очередное поколение которых должно быть более эффективным, малогабаритным и бюджетным. Необходимость повышения удельной мощности и КПД силовых преобразовательных устройств при сохранении доступной цены заставляет разработчиков искать новые инновационные решения, реализуемые в устройствах как малой, так и большой мощности. Однако при этом, как правило, процесс разработки усложняется.

Одной из главных задач при разработке устройств электропитания является энергоэффективность. При повышении КПД от устройств нужно отводить меньшее количество тепла, что позволяет снизить требования к системе охлаждения, уменьшить габариты и удельную стоимость единицы выходной мощности. Отправной точкой при разработке источника электропитания с высоким КПД и большой удельной мощностью является выбор подходящей топологии. Эффективность устройства, как правило, определяется параметрами основных компонентов силовой электроники, что обуславливает особое внимание производителей комплектующих к обобщенным показателям качества (FoM) компонентов и их влиянию на повышение КПД устройств. Кроме этого, есть ряд других факторов оказывающих значительное влияние на габариты, удельную мощность и стоимость изделий. Несмотря на широкое применение силовых ключей в корпусах для штыревого монтажа TO-220 и TO-247, развитие полупроводниковых технологий постоянно расширяет диапазон мощностей приборов в корпусах для поверхностного монтажа (SMD). В частности, температурный режим компонентов SMD, длительное время ограничивавший их применение в силовой электронике, для новейших образцов становится все менее значимым. Применение компонентов SMD позволяет также уменьшить габариты, сложность технологического процесса производства продукции и ее стоимость. Наконец, если учитывать растущее разнообразие устройств силовой электроники, одним из критериев выбора силовых ключей, предназначенных для широкого рынка, является их простота применения. Применение современных MOSFET должно обеспечивать высокий КПД в различных режимах работы, устойчивость к аварийным ситуациям и подавление нежелательных эффектов, например, импульсных перенапряжений или электромагнитных помех (EMI), а также минимизировать трудозатраты на разработку изделия.

Концепция МОП-транзисторов SuperJunction

В 1999 году компания Infineon представила МОП-транзистор CoolMOS™ с новой структурой области стока, позволившей преодолеть так называемую теоретическую предельную линию кремния. Структура МОП-транзистора серии SuperJunction (SJ) имела два существенных отличия: основной путь протекания тока (область с проводимостью n-типа) был легирован сильнее по сравнению с обычными высоковольтными МОП-транзисторами, а вертикальные структуры p-типа с точно заданными размерами обеспечивали компенсацию заряда области n-типа. Сильно легированная область n-типа уменьшает сопротивление канала в открытом состоянии, однако имеет побочный эффект в виде снижения напряжения пробоя. Вертикальные компенсационные структуры p-типа уравновешивают область n-типа, поддерживая нулевой полный заряд в области пространственного заряда и обеспечивая тем самым высокое напряжение пробоя (рисунок 1). Инновационная конструкция транзистора SJ позволяет уменьшить удельное сопротивление канала, что дает снижение потерь проводимости. Значительное уменьшение площади кристалла, достигнутое в первом поколении транзисторов CoolMOS™, привело также к уменьшению паразитных емкостей и обусловленных ими динамических потерь.

Рис. 1. Схема планарных высоковольтных МОП-транзисторов: а) обычного типа; б) изготовленных по технологии SJ

Рис. 1. Схема планарных высоковольтных МОП-транзисторов: а) обычного типа; б) изготовленных по технологии SJ

600-вольтовый транзистор CoolMOS Р7™ – эффективность, заложенная в конструкции

С 1999 года технология CoolMOS совершенствовалась в нескольких поколениях МОП-транзисторов, объединив последние достижения в 600-вольтовом CoolMOS™ P7 производства компании Infineon. Последнее поколение МОП-транзисторов CoolMOS™ P7 является преемником серии CoolMOS™ P6 и базируется на платформе 600-вольтовых транзисторов CoolMOS™ C7. Серия CoolMOS™ C7 была разработана с целью улучшения коммутационных характеристик и получения максимального КПД во всех целевых приложениях, включая ККМ и высоковольтные преобразовательные каскады, например, в резонансной топологии LLC. В отличие от C7, в 600-вольтовом МОП-транзисторе CoolMOS™ P7 высокая скорость коммутации сочетается с простотой использования (в частности – с малым уровнем паразитных пульсаций), что обеспечивает ускоренный процесс разработки с возможностью простой замены транзисторов прежнего поколения. Сочетание параметров P7 делает его идеальным решением для широкого спектра применений – от маломощных источников питания потребительских устройств и ПК до мощных силовых преобразовательных устройств – источников питания центров обработки данных, телекоммуникационного оборудования и зарядных устройств электромобилей.

600-вольтовые МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 обеспечивают оптимальный баланс между КПД и простотой использования при конкурентоспособной цене. Полный заряд затвора Qg и энергия заряда выходной емкости Eoss транзистора P7 уменьшены на 30…60% по сравнению с CoolMOS™ прежнего поколения, что приводит к снижению потерь на переключение и потерь затвора. В сочетании с оптимизированной величиной типового значения RDS(on) преобразователи на основе P7 показывают увеличение КПД во всем диапазоне нагрузок в различных классах мощности по сравнению с транзисторами предыдущей серии. Использование 600-вольтовых МОП-транзисторов CoolMOS™ P7 дает увеличение КПД до 1,5% и снижение температуры транзистора на 4,2°C в сравнении с аналогами, представленными на рынке (рисунок 2).

Рис. 2. КПД CoolMOS™ P7 по сравнению с ближайшими аналогами: а) в источнике питания ТВ-приемника; б) в резонансном преобразователе LLC

Рис. 2. КПД CoolMOS™ P7 по сравнению с ближайшими аналогами: а) в источнике питания ТВ-приемника; б) в резонансном преобразователе LLC

Встроенный диод 600-вольтового CoolMOS™ P7 устойчив к стрессовым воздействиям, что обеспечивает защиту МОП-транзистора при работе в резонансном преобразователе LLC в режиме жесткой коммутации. Линейка 600 В P7 представляет собой набор устройств с широким диапазоном RDS(on) 37…600 мОм и различными типами корпусов для поверхностного и штыревого монтажа. Все МОП-транзисторы линейки P7 обладают высокой устойчивостью к электростатическому разряду (ЭСД) амплитудой более 2 кВ (Human Body Model, HBM), при этом МОП-транзисторы с RDS(on) > 100 мОм дополнительно защищены внутренним стабилитроном (рисунок 3). Эти МОП-транзисторы позволяют решить наиболее сложные проблемы, возникающие при разработке и производстве силовых преобразовательных устройств.

Рис. 3. МОП-транзисторы CoolMOS™ P7

Рис. 3. МОП-транзисторы CoolMOS™ P7

Учитывая отличительные особенности P7, позволяющие получить высокий КПД, высокую удельную мощность и минимальные трудозатраты на разработку при конкурентоспособной цене, данную линейку МОП-транзисторов можно считать идеальным решением нового поколения импульсных источников электропитания для широкого диапазона применений.

Заключение

Основные характеристики 600-вольтовых МОП-транзисторов CoolMOS™ P7 позволяют использовать их в широком диапазоне применений – от маломощных импульсных источников питания до мощных силовых преобразовательных устройств. P7 обеспечивает простоту использования и ускоренный процесс разработки благодаря малому уровню паразитных пульсаций и могут быть использованы в ККМ и преобразовательных каскадах с управлением посредством ШИМ. Высокие показатели качества FoM, в частности, малые статические и коммутационные потери (-50% Eoss, -30% Qg, -20% потерь при выключении) гарантируют высокую эффективность и облегчают отвод тепла от источника электропитания.

Благодаря встроенным резисторам затвора с тщательно рассчитанными значениями 600-вольтовые МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 необычайно просты в использовании. Характеристики встроенного диода 600-вольтовых МОП-транзисторов CoolMOS™ P7 позволяют использовать их в преобразовательных каскадах как с жесткой, так и с мягкой коммутацией (в резонансных преобразователях LLC). Устойчивость к ЭСР амплитудой более 2 кВ (HBM) обеспечивает очень высокий процент выхода годных изделий при серийном производстве.

600-вольтовые МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 выпускаются в корпусах девяти различных типов с дискретным набором значений RDS(on) 37…600 мОм и позиционируются как семейство МОП-транзисторов общего назначения для широкого диапазона применений. Номенклатура CoolMOS™ P7 включает в себя МОП-транзисторы как промышленного, так и коммерческого назначения, что позволяет разработчикам выбирать решение, адекватное требуемым эксплуатационным характеристикам изделия, по минимальной цене. Для мощных устройств силовой электроники, характеризующихся также высокой удельной мощностью, линейка 600-вольтовых МОП-транзисторов CoolMOS™ P7 предлагает лучшую в своем классе комбинацию RDS(on) и различных типов корпусов, например, 65 мОм в корпусе ThinPAK 8×8 мм и 60 мОм в корпусе TO220 (FP). В сегменте устройств малой мощности представлен 600-вольтовый МОП-транзистор CoolMOS™ P7 в корпусе SOT223, имеющий минимальную площадь посадочного места и конкурентоспособную цену, что позволяет использовать его для замены традиционных транзисторов в корпусе DPAK.

На сегодняшний день линейка 600-вольтовых МОП-транзисторов CoolMOS™ P7, являясь кульминацией 18 лет инновационных исследований технологии SuperJunction в компании Infineon, обеспечивает лучшее на рынке сочетание эффективности, простоты использования и цены.

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
IPP60R600P7XKSA1 (INFIN) 35 701 0.6821 $ 39.32 руб. от 500 шт
IPD60R600P7ATMA1 (INFIN) 61 728 0.5719 $ 32.97 руб. от 2 500 шт
IPD60R280P7ATMA1 (INFIN) 47 715 0.9375 $ 54.04 руб. от 2 500 шт
IPD60R360P7ATMA1 (INFIN) 68 173 0.7205 $ 41.54 руб. от 694 шт
IPP60R360P7XKSA1 (INFIN) 33 207 0.8274 $ 47.70 руб. от 500 шт
IPA60R180P7XKSA1 (INFIN) 22 774 1.2938 $ 74.59 руб. от 500 шт
IPP60R180P7XKSA1 (INFIN) 25 332 1.2938 $ 74.59 руб. от 500 шт
IPAW60R360P7SXKSA1 (INFIN) 52 580 0.5423 $ 31.26 руб. от 450 шт
IPAW60R600P7SXKSA1 (INFIN) 47 327 0.4389 $ 25.30 руб. от 450 шт
IPA60R360P7XKSA1 (INFIN) 31 586 0.8274 $ 47.70 руб. от 500 шт
IPAW60R280P7SXKSA1 (INFIN) 40 836 0.6835 $ 39.40 руб. от 450 шт
IPAW60R180P7SXKSA1 (INFIN) 33 174 0.9042 $ 52.13 руб. от 450 шт
IPL60R365P7AUMA1 (INFIN) 40 082 1.1389 $ 65.66 руб. от 3 000 шт
IPL60R185P7AUMA1 (INFIN) 33 686 1.5704 $ 90.53 руб. от 319 шт
IPD60R180P7ATMA1 (INFIN) 60 130 1.2375 $ 71.34 руб. от 2 500 шт
IPD70R600P7SAUMA1 (INFIN) 67 744 0.3475 $ 20.04 руб. от 2 500 шт
IPS70R360P7SAKMA1 (INFIN) 53 670 0.4763 $ 27.46 руб. от 1 500 шт
IPD70R900P7SAUMA1 (INFIN) 110 456 0.2731 $ 15.74 руб. от 2 500 шт
IPA70R360P7SXKSA1 (INFIN) 46 591 0.5767 $ 33.25 руб. от 500 шт
IPD70R1K4P7SAUMA1 (INFIN) 132 977 0.2294 $ 13.23 руб. от 2 500 шт
IPS70R1K4P7SAKMA1 (INFIN) 127 745 0.2294 $ 13.23 руб. от 1 500 шт
IPN70R1K4P7SATMA1 (INFIN) 117 129 0.2119 $ 12.21 руб. от 3 000 шт
IPSA70R1K4P7SAKMA1 (INFIN) 91 500 0.2294 $ 13.23 руб. от 1 500 шт
IPS70R600P7SAKMA1 (INFIN) 87 011 0.3475 $ 20.04 руб. от 1 500 шт
IPS70R900P7SAKMA1 (INFIN) 83 545 0.2731 $ 15.74 руб. от 1 500 шт
IPSA70R1K2P7SAKMA1 (INFIN) 83 025 0.2512 $ 14.48 руб. от 1 500 шт
IPD70R360P7SAUMA1 (INFIN) 80 730 0.4763 $ 27.46 руб. от 2 500 шт
IPN70R2K0P7SATMA1 (INFIN) 78 000 0.1895 $ 10.93 руб. от 3 000 шт
IPSA70R900P7SAKMA1 (INFIN) 76 425 0.2731 $ 15.74 руб. от 1 500 шт
IPN70R900P7SATMA1 (INFIN) 72 220 0.2557 $ 14.74 руб. от 3 000 шт