№6 / 2018 / статья 7

МОП-транзистор в корпусе SOT-223 – оптимальный выбор для источников питания малой мощности

Стефан Праймель (Infineon)

Поместив МОП-транзисторы серии CoolMOS™ P7 в корпус SOT-223, компания Infineon добилась более высокого КПД и снижения общей стоимости готового изделия при одновременном уменьшении габаритов и взаимозаменяемости pin-to-pin с предшествующим корпусом DPAK.

Со всех сторон нас окружают устройства, потребляющие электроэнергию. Все они, включая мобильные телефоны, телевизоры в жилых помещениях, освещение на рабочих местах, нуждаются в электропитании или зарядке аккумуляторов. Спрос диктует требования к вновь разрабатываемым источникам электропитания: в каждом новом поколении они должны иметь больший КПД, меньшие габариты и меньшую стоимость, чем прежде.

Тенденция повышения КПД и удельной мощности при одновременном снижении стоимости и сохранении высоких эксплуатационных характеристик диктует необходимость поиска новых альтернативных решений взамен традиционной схемотехники силовых преобразовательных устройств. Среди многочисленных направлений развития силовой электроники можно выделить те, которые требуют полной переработки проектов и те, которые позволяют внедрить новые решения в серийно выпускаемые изделия. Одной из областей, в которых можно добиться существенного снижения стоимости изделий, является разработка новых типов корпусов высоковольтных высокоомных МОП-транзисторов. Новые типы корпусов позволяют свести к минимуму затраты на разработку или модернизацию изделий и сохранить или  даже улучшить тепловые характеристики применяемых технических решений.

МОП-транзистор CoolMOS™ P7 в корпусе SOT-223

В 1999 г. компания Infineon представила МОП-транзистор CoolMOS™, отличавшийся инновационной концепцией структуры стока Superjunction. Преимуществом технологии  Superjunction является уменьшение удельного сопротивления и, как следствие, – снижение потерь проводимости. Дополнительным преимуществом МОП-транзисторов CoolMOS™ является уменьшение площади кристалла, что приводит к снижению паразитной емкости и динамических потерь.

МОП-транзисторы CoolMOS™ совершенствовались в течение нескольких поколений, и в 2016 г. была выпущена серия CoolMOS™ CE в корпусе SOT-223. Данный корпус был выбран благодаря тому, что он обеспечивает минимальную стоимость транзистора для применений, оптимизированных по стоимости, обладая при этом тепловыми характеристиками, сопоставимыми с корпусом DPAK, и совместимостью посадочного места.

В настоящее время линейка CoolMOS™ в корпусе SOT-223 расширена и включает в себя МОП-транзисторы серии CoolMOS™ P7, сочетающие преимущества последнего поколения МОП-транзисторов технологии Superjunction с малыми габаритами и минимальной стоимостью корпуса SOT-223. В результате был получен недорогой малогабаритный МОП-транзистор для применения в силовых преобразовательных  устройствах малой мощности.

На рисунке 1 показаны габаритные размеры корпусов DPAK и SOT-223. Как видим, расположение выводов корпуса SOT-223 позволяет устанавливать его непосредственно на посадочное место корпуса DPAK. Совместимые установочные размеры позволяют использовать п/п прибор в корпусе SOT-223 для непосредственной замены корпуса DPAK на имеющейся печатной плате. Преимуществом SOT-223 по сравнению с DPAK являются габаритные размеры – на 25% меньшая высота и на 35% меньшая ширина.

Рис. 1. Сравнение габаритных размеров CoolMOS™ в корпусах SOT-223 и DPAK

Рис. 1. Сравнение габаритных размеров CoolMOS™ в корпусах SOT-223 и DPAK

Наиболее значительное отличие корпуса SOT-223 заключается в отсутствии металлического основания, которое является одним из выводов корпуса DPAK. Данное обстоятельство может создать у разработчиков представление об ограниченных возможностях применения этого корпуса вследствие его тепловых характеристик. Можно предположить, что прямая замена DPAK на SOT-223 возможна только за счет работы при более высоких температурах корпуса или в устройствах с малой величиной потерь. Однако, с учетом некоторых ограничений, результаты испытаний опровергают данное предположение.

Для охлаждения МОП-транзистора, рассеивающего более 250 мВт, необходим дополнительный полигон, соединенный с выводом стока. На рисунке 2 показаны зависимости температуры кристалла от площади полигона в области вывода стока для корпусов DPAK и SOT-223. Температура стандартного корпуса DPAK, установленного на стандартное посадочное место с рекомендуемой площадью полигона, составила 85°C (точка A на рисунке 2). В случае pin-to-pin замены корпуса DPAK на SOT-223 мы наблюдаем повышение температуры кристалла на 4…5°C (точка C на рисунке 2). Если увеличить площадь полигона на 20 мм2 (то есть – до 60 мм2), температура корпуса SOT-223 снижается до уровня температуры корпуса DPAK (точка D на рисунке 2).

Рис. 2. Результаты моделирования температуры кристалла в зависимости от площади полигона при мощности потерь 250 мВт

Рис. 2. Результаты моделирования температуры кристалла в зависимости от площади полигона при мощности потерь 250 мВт

Тепловые характеристики, измеренные в реальных условиях эксплуатации

Лучшим способом демонстрации взаимозаменяемости корпусов DPAK и SOT-223 являются испытания в реальных условиях эксплуатации. Для проверки возможности pin-to-pin замены был выбран светодиодный драйвер мощностью 52 Вт (рисунок 3), выполненный на 800-вольтовом МОП-транзисторе CoolMOS™ C3 в корпусе DPAK. Основные технические характеристики светодиодного драйвера приведены в таблице 1.

Рис. 3. Плата светодиодного драйвера, использовавшаяся при испытаниях тепловых характеристик МОП-транзисторов

Рис. 3. Плата светодиодного драйвера, использовавшаяся при испытаниях тепловых характеристик МОП-транзисторов

Таблица 1. Основные технические характеристики светодиодного драйвера

Характеристика Описание
Входное питание 220 В, 50 Гц
Выходное питание 50…150 В, 0,35 А, 52 Вт
Топология SEPIC
Силовой транзистор SPD04N80C3
Габаритные размеры платы 210х30х21 мм
Прогнозируемый срок службы 100000 ч

Испытания проводились в типовом корпусе при постоянной температуре окружающей среды 25°C и входном напряжении 230 В. Кроме замены МОП-транзистора, в конструкцию драйвера не вносилось никаких дополнительных изменений. Температура МОП-транзистора измерялась посредством термопары, находящейся в тепловом контакте с его корпусом. Измерение КПД драйвера осуществлялось в трех рабочих точках с помощью следующего оборудования:

  • потребляемая мощность измерялась цифровым анализатором мощности Yokogawa;
  • выходное напряжение измерялось регистратором данных Agilent 34980;
  • ток нагрузки измерялся посредством шунта 200 Ом и регистратора данных Agilent 34980A.

В исходном варианте светодиодного драйвера для улучшения отвода тепла вывод стока корпуса DPAK размещен на полигоне площадью примерно 530 мм2. Испытания проводились в закрытом корпусе с использованием той же теплопроводящей прокладки, что и в серийном изделии. Теплопроводящая прокладка позволяет снизить температуру МОП-транзистора за счет отвода тепла от его корпуса и полигона на корпус драйвера.

На рисунке 4 показаны результаты испытаний. График CoolMOS™ C3 (SPD04N80C3) в исходном варианте изделия показан оранжевым цветом. При его замене на CoolMOS™ P7 в корпусе DPAK (IPD80R1K4P7) повышение КПД при максимальной нагрузке составляет 0,25%, при этом температура CoolMOS™ P7 на 3°C меньше температуры CoolMOS™ C3 (оба транзистора – в корпусе DPAK). При замене CoolMOS™ C3 DPAK на CoolMOS™ P7 в корпусе SOT-223 (IPN80R1K4P7) повышение КПД составило 0,15%, а снижение температуры МОП-транзистора – 1…2°C по сравнению с исходным вариантом CoolMOS™ C3 в корпусе DPAK.

Рис. 4. Результаты измерений КПД драйвера и температуры МОП-транзисторов

Рис. 4. Результаты измерений КПД драйвера и температуры МОП-транзисторов

Результаты испытаний в реальных условиях эксплуатации наглядно показывают возможность прямой замены корпуса DPAK более миниатюрным корпусом SOT-223. Помимо меньших габаритных размеров, МОП-транзистор в корпусе SOT-223 обеспечивает более высокий КПД и существенное снижение стоимости изделия.

МОП-транзистор CoolMOS™ P7 в корпусе SOT-223

МОП-транзистор CoolMOS™ P7 в корпусе SOT-223 выпускается в трех категориях рабочего напряжения – 600, 700 и 800 В. МОП-транзисторы с рабочим напряжением 600 В могут использоваться в ККМ, обратноходовых источниках питания и резонансных  преобразователях LLC полумостовой и мостовой топологий. 700- и 800-вольтовые подходят только для тех топологий, в которых отсутствует жесткая коммутация внутреннего диода, например, для ККМ и обратноходового источника питания. В настоящее время доступна линейка МОП-транзисторов, охватывающая диапазон RDS(on) 360…4500 мОм.

Заключение

Выбор МОП-транзистора, сочетающего в себе высокие эксплуатационные характеристики и привлекательную цену, может оказаться непростой задачей. Зачастую компромиссы могут быть найдены в тех областях, где существуют проблемы с реализацией проектных требований. Например, хорошие тепловые характеристики п/п прибора в корпусе большого размера могут обернуться трудностью его размещения в изделии, учитывая тенденцию миниатюризации электронных устройств. В этом проявляется основное преимущество МОП-транзистора CoolMOS™ P7 в корпусе SOT-223 – высокая энергоэффективность, обеспечиваемая технологией Superjunction, сочетается с малой стоимостью корпуса и возможностью установки его на типовое посадочное место корпуса DPAK, в том числе – простой заменой в серийном изделии.

При использовании полигона минимальной площади (рекомендуемой для корпуса DPAK) тепловые характеристики МОП-транзистора остаются в допустимом диапазоне с учетом допусков, закладываемых обычно в проектные требования. При наличии свободного пространства в корпусе изделия можно увеличить площадь полигона для улучшения тепловых характеристик МОП-транзистора. Дополнительные 20 мм2 площади полигона позволяют привести тепловой режим МОП-транзистора в корпусе SOT-223 к параметрам исходного варианта в корпусе DPAK.

Благодаря малому уровню паразитных колебаний в цепи затвора МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 отличаются простотой использования и возможностью быстрого внедрения в различные проекты, включая силовые каскады ККМ и ШИМ-преобразователей. Высокие показатели качества, в частности – малые кондуктивные и коммутационные потери и сниженные потери драйвера затвора, обеспечивают получение максимально высокого КПД и требуемого теплового режима в источниках питания малой мощности.

Уникальные характеристики простоты использования МОП-транзисторов линейки CoolMOS™ P7 являются результатом тщательно подобранного номинала встроенного резистора затвора. В дополнение к этому, внутренний диод 600-вольтового CoolMOS™ P7 обладает высокой устойчивостью к коммутационным стрессам, что позволяет использовать данную серию МОП-транзисторов в топологиях как с жесткой, так и с мягкой коммутацией (LLC). Значительная часть МОП-транзисторов линейки CoolMOS™ P7 устойчива к электростатическому разряду амплитудой более 2 кВ (HBM), что обеспечивает высокий процент выхода годных изделий при серийном производстве.

Два десятилетия инновационного развития технологии Superjunction привели к созданию МОП-транзистора CoolMOS™ P7, который в настоящее время доступен также в корпусе SOT-223. Благодаря новому типу корпуса разработчики получили МОП-транзистор, сочетающий высокие эксплуатационные характеристики, простоту использования, малую площадь посадочного места и низкую стоимость.

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