№2 / 2019 / статья 8

Бесснабберный обратноходовой преобразователь на новых MOSFET 950 В от Infineon

Новое семейство транзисторов CoolMOS P7 950 В производства компании Infineon разработано специально для создания обратноходовых преобразователей, работающих в режиме квазирезонанса или непрерывных токов. По сравнению с предшественниками новые транзисторы отличаются невысоким собственным сопротивлением, минимальным зарядом затвора и малой энергией на переключения. Кроме того, CoolMOS P7 обеспечивают высокий уровень надежности и позволяют отказаться от снабберных цепей, что дополнительно уменьшает габариты и стоимость обратноходовых преобразователей.

Требования к современным источникам питания все время ужесточаются. Это касается в первую очередь эффективности, стоимости и габаритов. При этом даже минимальное повышение КПД или малозаметное уменьшение габаритов требуют значительных усилий от разработчиков. В погоне за самыми незначительными улучшениями производители источников питания вынуждены постоянно совершенствовать схемотехнику, искать оптимальные силовые ключи, экспериментировать с новыми технологиями.

В настоящее время для создания источников питания малой и средней мощности чаще всего применяют обратноходовую топологию. Несмотря на то что эта топология хорошо изучена, она по-прежнему не исчерпала свой потенциал с точки зрения повышения эффективности, снижения габаритов и сокращения стоимости. В частности, одним из недостатков обратноходовых преобразователей является необходимость использования снабберной RCD-цепочки или схемы активного ограничения для защиты силового транзистора от пробоя. Наличие RCD-цепи приводит к появлению дополнительных потерь мощности, увеличению габаритов и росту стоимости. Решить эти проблемы можно «в лоб», убрав этот элемент схемы, однако в таком случае необходимо, чтобы силовой ключ обладал достаточным запасом «прочности». Именно для подобных случаев и было разработано новое семейство транзисторов 950 В CoolMOS P7.

Обратноходовые преобразователи: особенности и режимы работы

Обратноходовая топология чаще других используется для создания источников питания (рисунок 1). Это объясняется ее преимуществами: простотой, понятностью, невысокой стоимостью, достойными показателями эффективности.

Рис. 1. Упрощенная схема обратноходового преобразователя

Рис. 1. Упрощенная схема обратноходового преобразователя

У обратноходовых преобразователей есть несколько режимов работы [1].

Режим непрерывных токов (Continuous Current Mode, CCM) характеризуется тем, что ток в первичной обмотке трансформатора никогда не уменьшается до нуля (рисунок 2а). Такой режим обеспечивает повышенную выходную мощность. Вместе с тем силовым ключам приходится работать в условиях жестких переключений. Новые транзисторы CoolMOS P7 обеспечивают рекордно малое значение Eoss и становятся идеальным выбором для обратноходовых преобразователей с CCM.

В недорогих преобразователях используются бюджетные контроллеры с фиксированной частотой коммутации. Однако при малой нагрузке КПД таких источников оказывается невысоким. Чтобы улучшить ситуацию, в дорогих преобразователях при уменьшении нагрузки происходит переключение на режим с прерывистыми токами.

Режим прерывистых токов (Discontinuous Conduction Mode, DCM) характеризуется тем, что часть периода ток через обмотки трансформатора не течет, при этом частота коммутаций остается фиксированной (рисунок 2б). Переключения при нулевом токе приводят к тому, что потери на включение Eon уменьшаются. В последнее время режим DCM используют достаточно редко из-за появления продвинутых контроллеров, поддерживающих более эффективный режим квазирезонанса.

Режим квазирезонанса (QR) также предполагает работу с прерывистыми токами, однако в отличие от DCM, коммутация силовых ключей производится с учетом колебаний контура, состоящего из индуктивности трансформатора и суммарной емкости стока. При этом переключение происходит не только при нулевом токе, но и при минимальном напряжении «сток-исток», что в свою очередь гарантирует малое значение потерь коммутации (рисунок 2в).

Стоит отметить, что существуют и другие режимы коммутаций обратноходовых преобразователей, например, ZVS, но они используются в более дорогих источниках питания с высокой выходной мощностью и не являются целевыми приложениями для транзисторов CoolMOS P7.

Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений при работе обратноходового преобразователя в различных режимах

Рис. 2. Диаграммы токов и напряжений при работе обратноходового преобразователя в различных режимах

Повысить эффективность обратноходовых преобразователей можно за счет исключения снабберной RCD-цепочки, которая применяется для ограничения звона, возникающего при отключении силового транзистора (рисунок 3). Использование снабберной цепи приводит к увеличению потерь мощности. Эти потери связаны с необходимостью перезаряда RCD-цепочки в каждом цикле коммутации, вне зависимости от величины нагрузки, а также с увеличением суммарной емкости, подключенной к стоку транзистора, что в свою очередь приводит к росту энергии, теряемой при переключениях.

Рис. 3. Отказ от защитной RCD-цепочки позволяет уменьшить стоимость и габариты преобразователя, но требования к силовому транзистору возрастают

Рис. 3. Отказ от защитной RCD-цепочки позволяет уменьшить стоимость и габариты преобразователя, но требования к силовому транзистору возрастают

Отказ от защитной RCD-цепочки также позволяет уменьшить габариты и стоимость преобразователей, что является важным преимуществом для бюджетных и компактных маломощных источников питания. Вместе с тем, исключение снабберной цепи возможно только в том случае, если используемый транзистор сможет выдержать возникающие перепады напряжения без повреждения. Здесь следует сделать краткое пояснение относительно природы этих перенапряжений.

При включении транзистора ток начинает протекать через первичную обмотку трансформатора. При отключении транзистора накопленная энергия передается в нагрузку на вторичной стороне. В то же время из-за наличия индуктивности рассеяния не вся энергия оказывается на вторичной стороне. Часть энергии остается на первичной и рассеивается в виде колебаний LC-контура, образованного индуктивностью рассеяния трансформатора и паразитной емкостью, подключенной к стоку транзистора. Паразитная емкость, в свою очередь, образована собственной выходной емкостью транзистора, паразитной емкостью трансформатора, емкостью проводников и так далее.

При наличии снабберной цепи происходит ограничение амплитуды колебаний. Если же RCD-цепь отсутствует, то транзистор должен самостоятельно обеспечивать необходимый запас по напряжению чтобы колебания в LC-контуре не приводили к необратимому пробою (рисунок 4). Обычно запас составляет 10…20%. Иногда для того чтобы ограничить уровень звона, используют дополнительный конденсатор, включенный параллельно с силовым ключом, но уровень потерь при этом возрастает.

Рис. 4. При отсутствии защитной RCD-цепочки транзистор должен иметь повышенный запас по напряжению [1]

Рис. 4. При отсутствии защитной RCD-цепочки транзистор должен иметь повышенный запас по напряжению [1]

Стоит помнить, что при коммутациях могут возникать не только «штатные» перенапряжения. В реальных приложениях невозможно застраховаться от возникновения аварийных ситуаций и мощных высоковольтных помех. По этой причине при создании обратноходовых преобразователей разработчики должны дополнительно оценивать реальную устойчивость силовых ключей к пробою.

С учетом всех перечисленных проблем и особенностей компания Infineon создала новое семейство специализированных транзисторов 950 В CoolMOS P7, которые не только демонстрируют минимальный уровень статических и динамических потерь, но и обеспечивают высокий уровень защиты даже при отсутствии защитной снабберной цепи. Кроме того, в документации на CoolMOS P7 приводятся параметры пиковых токов и энергии переключений, позволяющие оценить устойчивость этих ключей к пробою в реальных приложениях.

Обзор транзисторов CoolMOS P7 от Infineon

В отличие от популярного семейства универсальных транзисторов CoolMOS C3, новое семейство CoolMOS P7 разрабатывалось специально для создания обратноходовых преобразователей малой и средней мощности (10…150 Вт). Применение CoolMOS P7 в других типах преобразователей, например, в составе синхронных мостовых и полумостовых схем с жесткими переключениями, не рекомендуется. Вместе с тем новые транзисторы благодаря узкой специализации превосходят конкурентов и предшественников и демонстрируют отличные показатели в целевых приложениях.

В настоящий момент семейство CoolMOS P7 объединяет 15 моделей (рисунок 5, таблица 1):

  • с рабочим напряжением 950 В;
  • с сопротивлением открытого канала 0,45…3,7 Ом;
  • с током стока 2…14 А;
  • с импульсным током до 43 А;
  • с зарядом затвора от 6 нКл;
  • с четырьмя вариантами корпусных исполнений: TO-251, TO-220, DPAK, SOT

Рис. 5. Новое семейство 950 В транзисторов CoolMOS P7 [3]

Рис. 5. Новое семейство 950 В транзисторов CoolMOS P7 [3]

Таблица 1. Номенклатура и характеристики транзисторов CoolMOS P7 [3]

Наименование Vси макс., В Rси вкл. макс., мОм Iс макс., А Iс имп. макс., А Qз, нКл Корпус
IPA95R450P7XKSA1 950 450 14 43 35 TO-220 FullPAK
IPU95R450P7AKMA1 950 450 14 43 35 IPAK (TO-251)
IPD95R450P7ATMA1 950 450 14 43 35 DPAK (TO-252)
IPU95R750P7AKMA1 950 750 9 27 23 IPAK (TO-251)
IPD95R750P7ATMA1 950 750 9 27 23 DPAK (TO-252)
IPA95R750P7XKSA1 950 750 9 27 23 TO-220 FullPAK
IPA95R1K2P7XKSA1 950 1200 6 16 15 TO-220 FullPAK
IPD95R1K2P7ATMA1 950 1200 6 16 15 DPAK (TO-252)
IPN95R1K2P7ATMA1 950 1200 6 16 15 SOT-223
IPU95R1K2P7AKMA1 950 1200 6 16 15 IPAK (TO-251)
IPU95R2K0P7AKMA1 950 2000 4 10 10 IPAK (TO-251)
IPD95R2K0P7ATMA1 950 2000 4 10 10 DPAK (TO-252)
IPN95R2K0P7ATMA1 950 2000 4 10 10 SOT-223
IPU95R3K7P7AKMA1 950 3700 2 5 6 IPAK (TO-251)
IPN95R3K7P7ATMA1 950 3700 2 5 6 SOT-223

Самым простым способом оценки преимуществ транзисторов CoolMOS P7 будет сравнение их ключевых характеристик с предшественниками CoolMOS C3.

Преимущества транзисторов CoolMOS P7

Первое, что бросается в глаза при сравнении характеристик семейств CoolMOS P7 и CoolMOS C3, это повышенное значение пробивного напряжения 950 В для CoolMOS P7. Конечно, рост запаса по напряжению на 50 В является важным преимуществом, особенно при отсутствии снабберной цепи. Однако у новых транзисторов есть и целый ряд других достоинств [1].

Снижение сопротивления открытого канала. Сопротивление открытого канала (Rси) определяет потери проводимости. При этом важно учитывать зависимость Rси от температуры кристалла. Испытания показывают, что CoolMOS C3 демонстрируют более значительный рост Rси при нагреве по сравнению с CoolMOS P7. Более того, при температуре 80°С сопротивление CoolMOS P7 оказывается на 10% меньше (рисунок 6). При температуре 100°С преимущество достигает 15%.

Рис. 6. Сравнение зависимости сопротивлений открытого канала для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]

Рис. 6. Сравнение зависимости сопротивлений открытого канала для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]

Уменьшение энергии включения. В квазирезонансных преобразователях коммутация силовых транзисторов происходит при нулевом токе и минимальном напряжении, что приводит к уменьшению энергии включения Eon почти до нуля. Вместе с тем потери, связанные с Eoss, никуда не исчезают и вносят значительный вклад в общие потери при включении транзистора.

По сравнению с семейством CoolMOS C3, новые транзисторы CoolMOS P7 обеспечивают меньшее значение Eoss при работе с напряжениями выше 50 В (рисунок 7). А при напряжении 400 В преимущество достигает 50%.

Рис. 7. Сравнение энергии Eoss для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]

Рис. 7. Сравнение энергии Eoss для CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]

Уменьшение заряда затвора. Заряд затвора Qз определяет потери, связанные с управлением силовым транзистором: чем меньше заряд, тем меньше потери. С другой стороны, чем меньше потери, тем выше может быть частота коммутации, и тем компактнее будут габариты преобразователя за счет уменьшения размеров пассивных компонентов (трансформатора, конденсаторов).

При стандартном управляющем напряжении 8 В заряд затвора для CoolMOS P7 оказывается на 50% меньше, чем у CoolMOS C3 (рисунок 8).

Рис. 8. По сравнению с семейством CoolMOS C3, транзисторы CoolMOS P7 отличаются меньшим зарядом затвора [1]

Рис. 8. По сравнению с семейством CoolMOS C3, транзисторы CoolMOS P7 отличаются меньшим зарядом затвора [1]

Малое и точное значение порогового напряжения. Пороговое напряжение для транзисторов CoolMOS P7 составляет около 3 В, а его разброс не превышает ±0,5 В (рисунок 9). Это позволяет уменьшить потери мощности на управление за счет снижения напряжения включения.

Рис. 9.Сравнение cток-затворных характеристик CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]

Рис. 9.Сравнение cток-затворных характеристик CoolMOS P7 и CoolMOS C3 [1]

Важным преимуществом CoolMOS P7 становится предсказуемая реакция при возникновении аварийного пробоя.

Оценка устойчивости CoolMOS P7 к пробою

При выборе силовых ключей в процессе разработки обратноходовых преобразователей обычно учитывают запас по напряжению на уровне 10…20%. К сожалению, в реальных приложениях это не является гарантией отсутствия мощных высоковольтных импульсов, способных пробить транзистор. По этой причине важно правильно оценить степень защиты преобразователя от мощных помех, особенно при отсутствии снабберной цепи. Чтобы упростить жизнь разработчикам, компания Infineon решила внести в документацию ряд дополнительных параметров, характеризующих пробой транзисторов [1]:

  • допустимая энергия одиночного импульса EAS;
  • допустимая энергия повторяющихся импульсов EAR;
  • допустимый ток одиночного импульса IAS.

С допустимым током IAS все относительно просто. Например, если измерительный резистор составляет 0,2 Ом, а напряжение отключения – 0,3 В, то пороговый ток срабатывания защиты составит 1,5 А. Это значение должно быть выше, чем допустимое значение, указанное в документации. В частности, для IPN95R1K2P7 величина IAS составляет 3 А.

При анализе энергии пробоя необходимо знать такие параметры трансформатора как индуктивность намагничивания и индуктивность рассеяния:

½ L × I2 ≤ EA (из документации).

Для расчета энергии повторяющихся импульсов используется индуктивность рассеяния. Например, если ток составляет 1,5 А, а индуктивность рассеяния – 4,5 мкГн, то значение энергии пробоя составит 5,1 мкДж. Для сравнения, у транзисторов IPN95R1K2P7 EAR = 140 мкДж.

При анализе устойчивости к одиночным импульсам следует ориентироваться на худший случай и брать в расчет полную индуктивность трансформатора. Например, если в рассматриваемом примере индуктивность трансформатора составляет 500 мкГн, то энергия пробоя будет равна 562 мкДж. Для сравнения, у транзисторов IPN95R1K2P7 EAS = 11 мДж.

Заключение

Новое семейство транзисторов CoolMOS P7 не является универсальным. Оно было разработано специально для построения обратноходовых преобразователей малой и средней мощности 10…150 Вт, работающих в режиме непрерывных токов, или квазирезонанса.

Отказ от универсальности привел к тому, что по сравнению с предшественниками, например, семейством CoolMOS C3, транзисторы CoolMOS P7 обладают целым рядом преимуществ: малым сопротивлением открытого канала, минимальной энергией Eoss, малыми потерями на управление и так далее. Кроме того, благодаря увеличенному рабочему напряжению и предсказуемому поведению при пробое, CoolMOS P7 позволяют отказаться от использования защитной RCD-цепочки, что дополнительно снижает уровень потерь, сокращает стоимость и уменьшает габариты преобразователей.

Литература

  1. Stefan Preimel. Infineon’s first 950 V CoolMOS™ MOSFET developed for low -powerapplications. Infineon, 2018;
  2. Stefan Preimel. Elevate the performance of flyback topology to the next level Introducing Infneon’s new 950 V CoolMOSTM P7. eeNews, 2018;
  3. www.infineon.com

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