№5 / 2018 / статья 8

Впервые в безвыводных корпусах: повышение удельной мощности силовых устройств с новыми МОП-транзисторами Infineon

Стефан Гамерит (Infineon Technologies)

Тепловые характеристики новых 650-вольтовых МОП-транзисторов IPT65R033G7 и IPT60R028G7 производства Infineon в корпусах TOLL с габаритными размерами 10,10×11,88×2,4 мм позволили впервые в отрасли реализовать силовой каскад ККМ с жесткой коммутацией на мощность до 3 кВт в варианте SMD.

Одним из требований, предъявляемых к силовым преобразователям с жесткой коммутацией, например, корректорам коэффициента мощности (ККМ) компьютерных серверов и телекоммуникационных систем, источникам бесперебойного питания (ИБП) и инверторам солнечных батарей, является постоянный рост удельной мощности. Увеличение мощности силовых устройств при прежних габаритах диктует разработчикам необходимость поиска путей реализации высокочастотных преобразовательных схем с повышенным КПД и пониженным тепловыделением.

Тепловой режим силовых полупроводниковых приборов, в частности – МОП-транзисторов, является основным фактором, ограничивающим возможность использования компонентов поверхностного монтажа (SMD) вместо традиционных штыревых приборов. Однако в настоящее время полупроводниковая технология Super Junction (SJ) в сочетании с усовершенствованными корпусами SMD дает возможность применения МОП-транзисторов, выполненных в корпусах SMD, в силовых преобразовательных устройствах средней и большой мощности.

В современном мире происходит истощение природных ресурсов, вследствие чего наблюдается рост стоимости недвижимости и энергоносителей. Эти два фактора оказывают огромное влияние на мировую инфраструктуру. Эксперты прогнозируют устойчивую тенденцию роста удельной мощности силовых устройств, вследствие чего технологии каждого нового поколения будут обеспечивать большую мощность в меньшем объеме. Например, в современных серверах увеличение мощности происходит при сохранении малых рабочих напряжений, что приводит к значительному росту потребляемых токов. В свою очередь большие токи требуют увеличения площади сечения медных проводников для минимизации потерь энергии. При взгляде на современные информационные центры становится понятной необходимость роста удельной мощности – рабочее пространство стоит дорого, вследствие чего бизнес стремится получить максимум прибыли с единицы площади. Достигнутая в 2006 г. мощность 6 кВт на одну стойку питания к концу текущего десятилетия увеличится, по прогнозам, почти втрое, что предъявляет все более серьезные требования к системам электропитания.

Большую роль в решении данной проблемы играет повышение энергоэффективности. Если источник питания не вырабатывает избыточного тепла, задача отвода избыточной тепловой энергии отсутствует. Высокая энергоэффективность означает, что конечный потребитель получает больше «полезной» энергии, то есть снижаются затраты энергии на выполнение вычислительных операций, работу систем связи или преобразование солнечной энергии. Более плотная компоновка серверов позволяет уменьшить расходы на аренду недвижимости, а уменьшение тепловыделения снижает требования к системе охлаждения, что в конечном итоге также приводит к уменьшению требуемого рабочего пространства и снижает затраты на электроэнергию.

Несмотря на то, что электронная промышленность достаточно давно перешла на технологию поверхностного монтажа, силовые п/п-приборы, в том числе – усовершенствованные, последнего поколения, по-прежнему выпускаются в корпусах со штыревыми выводами. Наиболее распространенные типы таких корпусов, – TO-220 и TO-247, – обеспечивают наилучший тепловой режим, однако требуют дополнительных производственных операций, увеличивающих стоимость изделия. Кроме того, как будет показано далее, выводы корпусов являются фактором, ограничивающим эксплуатационные характеристики размещенных в них МОП-транзисторов.

МОП-транзисторы Super Junction серии C7 Gold

Хорошо зарекомендовавшая себя технология CoolMOSTM компании Infineon Technologies прошла длительный путь развития, начиная с внедрения в 1999 г. новой структуры стока МОП-транзисторов (рисунок 1). Данный техпроцесс поддерживает высокие стандарты качества, что можно проиллюстрировать следующим фактом – на 1,6 миллиарда выпущенных изделий CoolMOSTM было зарегистрировано всего 38 отказов.

Рис. 1. Сравнительный вид п/п-структур планарного высоковольтного МОП-транзистора (слева) и МОП-транзистора, выполненного по технологии SJ (справа)

Рис. 1. Сравнительный вид п/п-структур планарного высоковольтного МОП-транзистора (слева) и МОП-транзистора, выполненного по технологии SJ (справа)

МОП-транзисторы, изготовленные по технологии Super Junction, имеют два существенных отличия от планарных высоковольтных МОП-транзисторов. Первое из них заключается в меньшем сопротивлении в открытом состоянии RDS(ON), что достигается более сильным легированием области протекания тока. Однако без вертикальных областей с проводимостью p-типа, образующих структуру компенсации заряда в области ниже ячейки, рабочее напряжение транзистора будет значительно меньше из-за сильно легированной области n-типа. Вертикальные области p-типа с точно заданными размерами создают компенсационную структуру, которая уравновешивает сильнолегированную область протекания тока. В результате достигается нулевое среднее значение зоны пространственного заряда, обеспечивая тем самым высокое рабочее напряжение «сток-сток».

Данная конструкция транзистора позволила уменьшить удельное сопротивление канала, что привело к снижению потерь проводимости. Благодаря сопутствующему положительному эффекту в виде уменьшения площади кристалла произошло уменьшение паразитных емкостей и динамических потерь, что позволило преодолеть предельную линию кремния. Уже в первом поколении транзисторов CoolMOS™ Серии CP были снижены все виды потерь.

Дальнейшее развитие технологии МОП-транзисторов привело к созданию серии C7 с уменьшенными значениями паразитных емкостей и достигнутым впервые в мире удельным сопротивлением R(ON) × A < 1 Ом×мм2. Потери на выключение МОП-транзисторов серии C7 были уменьшены на 50% по сравнению с МОП-транзисторами предыдущего поколения CP. В серии МОП-транзисторов C7 Gold (G7) технология CoolMOSTM получила дальнейшее усовершенствование, в результате чего потери на выключение были дополнительно уменьшены на 25%. МОП-транзисторы C7 Gold (G7) обладают лучшими в своем классе показателями качества в терминах RDS(ON) × EOSS’ и RDS(ON) × Qg, что обеспечивает максимальный КПД в топологиях с жесткой коммутацией, например, ККМ.

Безвыводный корпус TOLL

В силовых каскадах ККМ средней и большой мощности часто используются приборы в корпусах со штыревыми выводами. По мере развития электронной промышленности разработчики корпусов также внедрили ряд инноваций: например, замена корпуса TO-247 на TO-220 позволила уменьшить площадь посадочного места на 50%. Однако даже такие корпуса SMD как D2PAK имеют выводы, несмотря на то, что припаиваются также по технологии поверхностного монтажа. Наличие выводов у выводных корпусов требует отдельного техпроцесса пайки волной припоя или, в худшем случае, ручной пайки. Однако проблема не только в этом – выводы обладают паразитной индуктивностью, которая уменьшает скорость изменения управляющего напряжения, вследствие чего снижается КПД силового каскада.

Для решения данной проблемы компания Infineon разработала безвыводный корпус TOLL (TO-Leadless), преимущества которого показаны на рисунке 2 и в таблице 1.

Рис. 2. Сравнение габаритных и установочных размеров различных типов корпусов

Рис. 2. Сравнение габаритных и установочных размеров различных типов корпусов

Таблица 1. Сравнение МОП-транзисторов Infineon C7 и G7, выполненных в различных типах корпусов, по максимальному RDS(ON) и паразитной индуктивности выводов

Тип корпуса TO-247 TO-220 D2PAK TOLL
CoolMOSTM 650 В IPW65R019C7
19 мОм
IPP65R045C7
45 мОм
IPB65R045C7
45 мОм
IPT65R033G7
33 мОм
CoolMOSTM 600 В IPW60R017C7
17 мОм
IPP60R040C7
40 мОм
IPB60R040C7
40 мОм
IPT60R028G7
28 мОм
Индуктивность выводов 15 нГн 10 нГн 5 нГн 1 нГн

На рисунке 3 показано детальное сравнение габаритных размеров корпуса TOLL с одним из распространенных типов корпусов SMD – D2PAK. В корпусе TOLL полностью отсутствуют выводы, унаследованные традиционными корпусами SMD от их штыревых прототипов, благодаря чему паразитная индуктивность контактов корпуса снижена с 5 до 1 нГн. Кроме того, корпус TOLL занимает на 60% меньший объем по сравнению с D2PAK.

Рис. 3. Сравнение корпусов TO-Leadless (TOLL) и D2PAK

Рис. 3. Сравнение корпусов TO-Leadless (TOLL) и D2PAK

Новый тип корпуса TOLL выполнен по бессвинцовой технологии и обладает минимальной чувствительностью к влажности (класс MSL1), что упрощает производственные процессы по его монтажу. Пайка корпусов TOLL может осуществляться либо волной, либо оплавлением припоя, что обеспечивает большую гибкость в выборе технологических процессов. Особенностью корпуса TOLL является наличие трапециевидных канавок на внешней стороне контактов. В процессе пайки канавки заполняются припоем, что позволяет контролировать соединение контактов с печатной платой оптическими средствами, обеспечивая тем самым высокое качество конечной продукции.

МОП-транзисторы CoolMOSTM C7 Gold с рабочим напряжением 600 и 650 В в корпусе TOLL

IPT65R033G7 и IPT60R028G7 представляют собой первые серийно производимые МОП-транзисторы, сочетающие в себе преимущества технологии CoolMOSTM C7 GOLD (G7) и нового корпуса TOLL, что позволяет разработчикам использовать их в силовых преобразовательных устройствах нового поколения.

МОП-транзистор в корпусе TOLL может быть включен по типовой трехвыводной схеме либо с подключением дополнительного вывода истока (Кельвиновское соединение). Несмотря на значительно меньшую паразитную индуктивность истока (1 нГн) дополнительный вывод истока, используемый в качестве общей цепи драйвера затвора, позволяет исключить падение напряжения на паразитной индуктивности. Данная особенность корпуса TOLL обеспечивает работу преобразователя с максимальным КПД, в том числе – при максимальном токе нагрузки.

По сравнению с ближайшими аналогами IPT65R033G7 и IPT60R028G7 имеют наименьшее сопротивление в открытом состоянии – соответственно, 33 и 28 мОм максимум, что в сочетании с типовым значением заряда затвора Qg = 110 нКл и Eoss = 13,5 мкДж при напряжении 400 В демонстрирует лучший показатель качества для 650-вольтовых МОП-транзисторов.

IPT65R033G7 и IPT60R028G7 в корпусе TOLL имеют габаритные размеры 10,10×11,88×2,4 мм. Безвыводное соединение кристалла в корпусе SMD обеспечивает типичное значение теплового сопротивления «кристалл-окружающая среда» RthJA = 35°C/Вт. Данные тепловые характеристики позволили впервые в отрасли реализовать силовой каскад ККМ с жесткой коммутацией на мощность до 3 кВт в варианте SMD. В то время как применение 650-вольтовых МОП-транзисторов C7 Gold (G7) ограничено силовыми каскадами с жесткой коммутацией, 600-вольтовая версия может использоваться также в резонансных топологиях, например, LLC.

Преимущества технологии C7 Gold (G7) при использовании МОП-транзисторов в современных силовых преобразовательных устройствах показаны на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показано, что прирост КПД достигнут за счет меньшего сопротивления RDS(ON) и использования четырехвыводной схемы с Кельвиновским соединением вывода истока. Рисунок 5 иллюстрирует снижение температуры МОП-транзистора, достигнутое за счет внедрения технологии C7 Gold и четырехвыводной схемы с Кельвиновским соединением вывода истока.

Рис. 4. Увеличение КПД МОП-транзистора в корпусе TOLL по сравнению с выводным корпусом TO-247

Рис. 4. Увеличение КПД МОП-транзистора в корпусе TOLL по сравнению с выводным корпусом TO-247

Рис. 5. Снижение температуры МОП-транзистора

Рис. 5. Снижение температуры МОП-транзистора

Заключение

Основным преимуществом технологии C7 Gold является малая величина удельного сопротивления канала R(ON) × A < 1 Ом×мм2, что позволило достичь малых значений RDS(ON) – 33 мОм для 650-вольтового и 28 мОм для 600-вольтового транзисторов. Помимо этого, на повышение КПД силовых каскадов влияют также улучшенные показатели RDS(ON) × EOSS и RDS(ON) × Qg и, как следствие, меньшее тепловыделение.

Дальнейшее увеличение КПД достигнуто за счет применения корпуса TOLL с минимальной индуктивностью истока (1 нГн) и четырехвыводной схемой с Кельвиновским соединением вывода истока. Корпус TOLL сочетает малую площадь посадочного места (115 мм2) и улучшенное тепловое сопротивление (RthJA = 35°C/Вт), что позволяет разработчикам реализовать импульсные источники питания мощностью до 3 кВт на основе МОП-транзисторов в корпусах SMD.

Благодаря автоматизации технологических процессов использование новых типов МОП-транзисторов в серверах, телекоммуникационном оборудовании и инверторах солнечных батарей позволяет повысить удельную мощность и снизить стоимость изделий.

Высокое качество корпуса TOLL (класс MSL1) и его совместимость с технологиями пайки волной и оплавлением припоя обеспечивают изделиям длительный срок эксплуатации. Корпус TOLL сертифицирован для промышленных применений в соответствии со стандартами JEDEC (J-STD20 и JESD22) и в дальнейшем будет использован для корпусирования п/п-приборов, изготавливаемых по другим технологиям, в частности – линейки CoolGaN производства компании Infineon.

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