Використання польових транзисторів в імпульсних джерелах живлення

Наши партнеры ArtmMisto

MOSFET виробляють багато провідних компаній світу, в тому числі компанія STMicroelectronics (STM), яка тривалий час є одним з лідерів світової напівпровідникової промисловості. Провідне місце цієї компанії постійним вдосконаленням технічного рівня продукції, що випускається, розробкою нових технологій виробництва напівпровідникових компонентів і безперервним розширенням продуктових лінійок. На сьогодні STMicroelectronics є компанією, що виробляє один з найефективніших високовольтних сімейств MOSFET в світі.

Сімейства низьковольтних транзисторів STM мають загальну назву STripFET і відрізняються індексом, який відповідає порядковому номеру покоління технології. Технологія STripFET III була представлена ​​в 2005 р Транзистори STripFET V з'явилися в 2008 р У них було знижено опір шару металу завдяки збільшенню товщини, покращена структура затвора, використаний вертикальний контакт м-trench, що призвело до зниження опору каналу і зменшення повного заряду затвора . В цьому ж році почали проводитися транзистори серії F4, виконані за технологією STripFET DeepGATE. В подальшому ця технологія була вдосконалена до STripFET VI DeepGATE з затвором у вигляді канавки (Trench MOSFET). Дана технологія за рахунок виключення паразитного опору RJFET дозволяє значно знизити опір каналу і підвищити щільність структури кристала. Однак в застосуваннях з великою індуктивної навантаженням і раніше використовують транзистори п'ятого покоління, що витримують великі енергії лавинного пробою.

Високовольтні транзистори STM представлені серією MDmesh. Ця серія в даний час налічує п'ять поколінь транзисторів. Концепція MDmesh заснована на використанні глибоких р-областей під базою транзистора. За рахунок збільшення площі pn переходу можна знизити опір епітаксійного шару без зменшення пробивної напруги. Таким чином, долається протиріччя між опором канапа і пробивним напругою. Концепція MDmesh в даний час використовується багатьма провідними компаніями і відома під назвами CoolMos, DTMOS, SuperFet, Gen9 тощо. Компанія "Микроника" теж в їх числі реалізує цю концепцію з використанням глибокої канавки, заповненої полікремнію, легованих бором в процесі росту, а також виробляє звичайні планарниє високовольтні транзистори для спеціального застосування.

Одне з основних застосувань MOSFET знайшли в імпульсних джерелах живлення, в LED-драйвери, в яких використовується як високовольтні, так і низьковольтні транзистори в ключовому режимі. Типовий імпульсний джерело живлення складається з попереднього AC / DC-перетворювача вхідного змінного струму з коректором потужності, на виході якого формується висока напруга, як правило, 400 В. Тому AC / DC-перетворювач містить високовольтні MOSFET. Далі DC / DC-перетворювач знижує високу напругу до необхідного рівня. Потім кінцевий DC / DC-перетворювач формує вихідні напруги 1.2 ... 12 В, необхідні більшості сучасних електронних приладів. Даних перетворювач вимагає наявності низьковольтних MOSFET. Багато застосування вимагають наявності різних режимів роботи: режим низької потужності, що розсіюється (резервний або «сплячий») і нормальний режим, що забезпечує максимальну ефективність роботи. Деякі застосування вимагають наявності одного вихідного напруги, іншим потрібні кілька. При виборі типу застосовуваного джерела живлення (ІП) важливим параметром є вихідна потужність. З метою забезпечення оптимальності показника ціною / якість для різних застосувань в залежності від вихідної потужності розроблені різні типи перетворювачів напруги. Правильний і оптимальний вибір MOSFET, врахування особливостей їх застосування забезпечує скорочення термінів розробки і досягнення необхідних параметрів перетворювачів напруги. У даній статті пропонується методика вибору високовольтних MOSFET компанії STMicroelectronics для імпульсних ІП.

параметри MOSFET

Основні параметри MOSFET, які визначають характеристики проектованого імпульсного ІП та вибору яких необхідно приділяти основну увагу, показані в табл.1. Вибір необхідного рівня цих параметрів визначається функціональним призначенням приладу, вхідними / вихідними напругами і струмами, частотою роботи, вихідний потужність, необхідністю забезпечення як максимальної допустимої потужності розсіювання, так і мінімальних втрат MOSFET на провідність і перемикання. Різниця в вихідної потужності перетворювачів, вимоги наявності балансу між розсіюванням і втратами потужності зумовлюють різні вимоги для корпусів.

Таблиця 1

Вибір типу корпусу

Вибір типу корпусу для MOSFET головним чином визначається наступними показниками: розсіюється потужністю, відстанню між висновками, розміром, вартістю.

Розсіювання потужності, охолодження

Тип корпусу MOSFET для використання в конкретному застосуванні вибирають виходячи з необхідної потужності розсіювання. Потужні корпусу ТО-220 і особливо ТО-247 з вбудованим радіатором і форсованим відведенням можуть розсіювати велику кількість тепла - 1.5 і 2.0 Вт відповідно - без зовнішніх радіаторів. Однак в імпульсних ІП сучасних електронних пристроїв, де велике значення має займаний обсяг, в основному застосовуються корпусу для поверхневого монтажу (SMD). У табл.2 показані теплові параметри основних типів SMD-корпусів компанії STMicroelectronics.

Таблиця 2

Відстань між висновками корпусу

Відстань між висновками повинна відповідати напрузі, використовуваному в даному застосуванні.

Розмір, обсяг корпусу

Розміри корпусу MOSFET також можуть визначаться параметрами корпусу ВП. Наприклад, в адаптерах для ноутбуків використовуються корпусу DPAK або D2PAK для забезпечення мінімальної висоти.

вартість

Як правило, менший корпус дешевше, ніж корпус більшого розміру. Також технологія поверхневого монтажу ефективніша за вартістю при виробництві плат ВП. Повністю ізольований корпус транзистора дозволяє знизити вартість збірки теплових радіаторів, так як виключає необхідність розміщення ізоляційної прокладки між корпусом транзистора і радіатором.

Вибір параметрів високовольтних MOSFET

Вибір величини пробивної напруги

При виборі рівня пробивної напруги необхідно враховувати наступні фактори:

Лавинне напруга пробою BVDSS, яке завжди трохи вище максимального - допустимого напруги "втік-витік" VDS тобто існує певний запас.

Температурні залежності пробивної напруги транзистора BVDSS, як правило, наведені в спеціфікаціях.На ріс.1.а, і ріс.1.б наведені температурні залежності пробивної напруги для 600-В MOSFET ST STB10NK60Z і STE70NM60. За цим залежностям можна визначити пробивну напругу транзистора при робочих температурах переходу + 100 ... + 120 градусів. Зазвичай ця величина на 4-7% вище пробивної напруги при кімнатній температурі.

Мал. 1.а, 1.б

Однак слід зазначити. що якщо прилад буде використовуватися в апаратурі при негативних температурах, то необхідно, щоб пробивна напруга транзистора на цих температурах було вище. ніж максимальна напруга на стоці, для запобігання лавинного пробою транзистора в момент включення апаратури. Мінімальна пробивна напруга V (BR) DSS, вказане в специфікації на транзистор для кімнатної температури і має такий же позитивний температурний коефіцієнт, як і BVDSS. Рівень викидів напруги (spike), обумовлений наявністю индуктивностей і паразитних ємностей в платі застосування. Рівень викидів напруги не повинен перевищувати 7-90% від мінімального пробивної напруги V (BR) DSS

Вибір робочої температури переходу

Робоча температурі переходу не повинна досягати максимальної робочої температури, визначеної в специфікації, але для забезпечення запасу по надійності робоча температура повинна бути нижче максимальної.

Зниження робочої температури на 20-30 градусів може призводити до збільшення середнього часу напрацювання до відмови на порядок. З іншого боку, опір транзистора в відкритому стані (RDS ON) підвищується з ростом температури переходу, що веде до втрат провідності. З цих причин рекомендується робоча температура переходу, складова 55-65% від максимально допустимої.

Вибір рівня струму

У більшості застосувань MOSFET не береться впливу максимального струму з тієї причини, що для зниження втрат потужності на провідність вибирають транзистор з низьким опором, у якого максимальний струм вище ніж необхідно. Проте потрібно перевірити область надійної роботи (Safe Operating Area, SOA) обраного MOSFET на предмет відповідності рівнів необхідних струму і напруги області стійкої роботи транзистора (ріс.2.а).

Мал. 2.а, 2.б

Далі слід проаналізувати передавальний характеристику транзистора (ріс.2.б), щоб переконатися в тому, що напруга на затворі транзистора досить для його повного відкриття. ті. транзистор повинен бути здатний пропустити максимальний імпульсний струм в схемі застосування у всіх режимах роботи кінцевого пристрою. Особливо в режимах різної захисту або короткого замикання на виході пристрою, коли напругу живлення схеми управління, а відповідно і напруга на затворі транзистора, може зменшуватися. Якщо транзистор не задовольняє цій вимозі, необхідно вибрати інший транзистор з більш високим рівнем струму.

Вибір рівня опору у відкритому стані (RDS ON) і динамічних параметрів

Вибір правильного рівня RDS (ON) - одна з найголовніших завдань у розробці схеми застосування. Кордон по RDS (ON) визначається максимально допустимою потужністю розсіювання для конкретного застосування і максимальною температурою переходу MOSFET. Втрати потужності MOSFET поділяються на втрати провідності і втрати на перемикання.

Втрати провідності легко обчислюються виходячи із значень опору RDS (ON) і величини струму стоку. Деяка проблеми може виникнути при розрахунку втрат на перемикання. Ці втрати визначаються як характеристиками самого MOSFET так і конструкцією плати. Зокрема, такими характеристиками як динамічні параметри транзистора, нелінійної вихідний ємністю «витік-стік», сумарним опором затвора транзистора, паразитними ємностями і індуктивностями плати застосування. У зв'язку з цим вибір MOSFET по опору - це складний процес, який може зажадати кілька ітерації. Вхідними даними цього процесу є вихідна потужність, форма імпульсу струму, конструкція плати застосування. Також повинна бути відома робоча частота перемикання транзистора, яка відповідає іншим параметрам, таким як електромагнітні шуми або магнітні втрати, але не пов'язана з втратами потужності MOSFET, повинна бути обрана конструкція радіатора, для якого відомо тепловий опір RTH_CA.

Одним з найбільш коректних і практичних шляхів визначення оптимального рівня опору в поєднанні з певними динамічними параметрами MOSFET є оцінка загальної потужності втрат по вимірюванню робочої температури переходу в тестовій платі застосування. Звичайно такі вимірювання відповідають тільки даному застосуванню, і для кожного застосування необхідна відповідна плата, так як паразитні параметри різні для різних застосувань. Суттю даного методу є попередній вибір транзистора за розрахунковою максимально допустимої потужності розсіювання з урахуванням використовуваних умов застосування (температур переходу і навколишнього середовища; конструкції радіатора) з подальшою оцінкою реальної загальної потужності втрат.

Вибір параметрів низьковольтних MOSFET

Низьковольтні MOSFET складають основу DC / DC-перетворювачів, яка формує кінцеві вихідні напруги. Це накладає свою специфіку на вибір MOSFET для таких застосувань.

Типова схема DC / DC-перетворювачів показана на рис.3. У цій схемі основним є транзистор верхнього ключа SW1 (high side MOSFET), а транзистор нижнього ключа SW2 (low side MOSFET) є синхронизирующим. Наявність транзистора нижнього ключа значно знижує втрати енергії в DC / DC-перетворювачі. При цьому основні режими роботи транзисторів різні, тому різні і параметри, що визначають вибір необхідного транзистора.

Мал. 3

Вибір параметрів MOSFET верхнього ключа

Транзистор верхнього ключа працює головним чином в режимі перемикання, тому для нього найбільш важливі динамічні параметри: низький заряд затвора, низькі внутрішні ємності і, відповідно, малі часи перемикання. Хороші динамічні параметри забезпечують високу швидкість перемикання, малі динамічні втрати і в результаті високу ефективність перетворювача в цілому. При цьому зменшення значення такого важливого параметра, як опір RDS (ON) не є визначальним для підвищення ефективності. Тому опір MOSFET верхнього ключа може бути досить високим для оптимізації ціни і розміру.

Таблиця 3

При підвищенні частоти роботи перетворювача його ефективність знижується через підвищення в цілому втрат на перемикання, але важливість забезпечення високої швидкості перемикання підвищується, на якому наведена залежність ефективності DC / DC-перетворювача з параметрами MOSFET верхнього ключа згідно табл.3 від величини вихідного струму для частоти fSW = 440 кГц.

Вибір параметрів MOSFET нижнього ключа

Так як MOSFET нижнього ключа більшу частину часу є відкритим, то втрати провідності, які визначаються величиною опору RDS (ON) вносять основний внесок в розсіювання потужності. Для зниження величини опору в залежності від необхідного рівня вихідного струму можна використовувати один або кілька транзисторів нижнього ключа.

рис.4

Як і в випадку MOSFET верхнього ключа, в якості прикладу в табл.4 наведені значення параметрів двох MOSFET нижнього ключа і відповідні їм криві ефективності на рис.4 при використанні для обох випадків одного і того ж транзистора верхнього ключа SW11.

Таблиця 4

висновок

Описані критерії та особливості вибору як високовольтних, так і низьковольтних MOSFET компанії STMicroelectronics з урахуванням особливостей з застосування дозволяють з практичної точки зору підійти до первісного підбору і остаточному визначенню необхідних оптимальних типів транзисторів. Звернуто увагу на деякі особливості вибору та застосування транзисторів виходячи з їх режимів роботи в імпульсних ІП.

Пасивні електронні компоненти

Поставки пасивних електронних компонентів здійснюються безпосередньо з заводів таких виробників як:

Vishay, Royal Electronic Factory Co., Ltd, Arcol, Hitano Enterprise Corp., Epcos AG., Samsung Electro-Mechanics., Caliber, Chequers Electronics, Molex, Nenshi, Micrometals, NIC, Hitachi AIC, Fuzetec, Barons, Epcos.

Від світових дистриб'юторів електронних компонентів поставляємо продукцію таких виробників як:

Jamicon, Murata, Panasonic, ATC, ATE, NIC, TDK, ACP, Teapo, Filtran, ATC Ceramics, Bourns, Littelfuse, ATE Electronics, Tyco Electronics ,; Yageo, Barons, Ferroxcube.

Активні електронні компоненти

Програма поставок активних електронних компонентів включає в себе прямі поставки від таких виробників як: ST Microelectronics, Vishay Semiconductor, IXIS, Kingbright, Winstar, Bolimin, Actel, Texas Instruments TI, Lucky Light.

Від світових дистриб'юторів електронних компонентів поставляємо продукцію таких виробників як:

Intel, NXP Semiconductor, Allegro MicroSystems, International Rectifier, ON Semiconductor, Altera, AMD, Samsung, Analog Devices, Knowles, Semikron, Atmel, Linear Technologies, Sharp Microelectronics, Avago Technologies, MATSUO ELECTRIC Taiwan Semiconductor, Toshiba, Cypress.