Високовольтні MOSFET в SMD-корпусі - реальність!

1. Про компании Infineon

Наши партнеры ArtmMisto

Упакувавши в новій лінійці C7 Gold передову технологію виробництва MOSFET-транзисторів Superjunction в SMD-корпус нового покоління TOLL з виступаючими по одній стороні висновками, компанія Infineon задає нові стандарти виробництва високовольтних MOSFET для сучасних силових додатків, в яких необхідні ключі з жорсткою комутацією.

В області пристроїв силової електроніки починає стійко простежуватися тренд, який, ймовірно, підштовхне галузь до заміни старих стандартів новими. Технологічна база розвивається прискореними темпами, виробники інвестують колосальні кошти в нові розробки.

Розглянемо, наприклад, транзистори MOSFET. Температурні обмеження становлять значну перешкоду при переході від стандартних вивідних корпусів, таких, наприклад, як TO-220, TO-247, до SMD-корпусах. Однак компанія Infineon представила ринку відмінну комбінацію, яка поєднуватиме сучасну технологію виробництва польових транзисторів Superjunction і SMD-корпус нового покоління. Ця комбінація дозволяє не тільки досягти ефекту, подібного до того, який досягається при використанні GaN транзисторів, але і поєднувати традиційні польові транзистори і вкрай високі вимоги до сучасних преосвітнім пристроїв середньої і високої потужності.

Шлях до розробки більш ефективних пристроїв силової електроніки починається, в першу чергу, з вибору топології перетворювача, і зокрема - з вибору основних силових ключів. Саме тому виробники силових напівпровідникових приладів продовжують доводити до досконалості процеси виробництва і розробляти нові технології, що поліпшують показники якості приладів FoM (Figure of Merit). Але це тільки половина історії. У той час як в останні десять років світ впевнено рухається до SMD-корпусах, переваги сучасних польових транзисторів можна було цілком відчути через традиційних вивідних корпусів, серед яких найбільш популярні ТО-220 і ТО-247.

Технологічний процес виробництва польових транзисторів Superjunction (маркетингова назва транзисторів CoolMOS ™) бере початок в 1999 році, коли технологія була вперше представлена ринку компанією Infineon. На сьогоднішній день це вже флагманська технологія, яка відмінно себе зарекомендувала, і Infineon продовжує розвивати її.

В технології Superjunction укладені два основних принципи (рисунок 1). По-перше, вдалося значно знизити опір відкритого каналу (Rds (on)), так як основний шлях протікання струму набагато сильніше легирован, ніж у звичайного високовольтного MOSFET-транзистора. По-друге, виконані з високою точністю леговані колонки p-типу поєднують в собі так звану «компенсуючу структуру», яка врівноважує високолегований коридор протікання струму і підтримує область просторового заряду сумарним нульовим зарядом. Без колонок з провідністю p-типу, які формують структуру компенсації заряду під основною структурою, транзистор б мав набагато менше робоча напруга через високолегованого основного n-шару.

Мал. 1. Порівняння напівпровідникової структури Planar і Superjunction MOSFET

Структура такого типу дозволяє зменшити поверхневий питомий опір, що робить втрати провідності істотно менше. А відповідне зменшення площі кристала знижує паразитні ємності і динамічні втрати приладу.

Технологія Superjunction продовжувала свій подальший розвиток, що втілилося в наступному поколінні силових високовольтних польових транзисторів CoolMOS ™ C7. Нове покоління дозволило досягти рівня питомої опору порядку 1 Ом • мм 2. А втрати виключення приладів С7 знизилися більш ніж на 50% в порівнянні з попереднім поколінням CP . Але компанія Infineon не стала зупинятися на досягнутому: в кінці 2016 року в масове виробництво вийшло нове покоління C7 Gold (G7). Втрати виключення транзисторів покоління G7 знижені на 25% в порівнянні з поколінням C7. При цьому за технологічними показниками FoM, що визначаються відповідними співвідношеннями Rds (on) Eoss і Rds (on) Qgate, покоління G7 стає кращим в своєму класі.

Транзистори сімейств C7 і G7 дозволяють комплексно збільшити питомі характеристики перетворювача за рахунок зниження втрат на силових ключах і зменшення вимог до системи охолодження. Таким чином досягається ефект, подібний до одержуваних при використанні GaN-транзисторів. Нові сімейства призначені, в першу чергу, для перетворювачів, що працюють в режимі жорсткого перемикання, наприклад, коректорів коефіцієнта потужності.

В області джерел вторинного електроживлення (ІВЕП) в останнє десятиліття простежувалися стійкі тенденції до збільшення питомих показників перетворювачів, таких, наприклад, як щільність потужності (кВт / м3) і зменшення вартості за 1 кВт вихідної потужності (USD / кВт). У конкурентних умовах сучасного ринку перед розробниками постає непросте завдання щодо зменшення сукупної вартості володіння (Total Cost of Ownership, TCO) пристроями силової електроніки за рахунок зменшення габаритних розмірів при зменшенні втрат і зростанні частоти комутації силових ключів перетворювачів. Останні новинки компанії Infineon в лінійці Superjunction MOSFET якраз відповідають перерахованим вимогам.

У той час як технології виготовлення кристалів польових транзисторів досягли істотного прогресу, корпусу же цих приладів, здебільшого, залишилися без змін. До сих пір вивідні корпусу, такі як TO-220, TO-247 і їх варіації, найбільш масово застосовуються в індустрії. Але з недавніх пір транзистори в SMD-корпусах стають більш популярними серед розробників завдяки істотному зниженню паразитного індуктивності висновків і, отже, з'явилася можливість проектувати вироби з більш високою частотою комутації. Однак застосування SMD-корпусів до теперішнього часу мало певні обмеження за рахунок труднощів з відведенням теплових втрат.

Мал. 2. Зовнішній вигляд корпусу TOLL

Нова серія польових транзисторів CoolMOS ™ C7 Gold виробництва компанії Infineon в SMD-корпусі TO-LeadLess (TOLL) дозволяє зняти ці обмеження і наблизитися за питомими параметрами до ІВЕП із застосуванням вивідних силових ключів. Зовнішній вигляд корпусу TOLL представлений на малюнку 2.

Основні топології перетворювачів, які можна спроектувати на базі транзисторів CoolMOS ™ G7, представлені в таблиці 1. Транзистори оптимізовані для застосування в топологиях з жорсткою комутацією ключів.

Таблиця 1. Цільові топології перетворювачів для лінійки G7

характер
комутації Топологія G7 650 В G7 600 В Жорстка
комутація ККМ на базі підвищувального перетворювача напруги (Boost PFC, режими DCM / CCM) Підходить Підходить прямоходового перетворювач напруги з двома ключами (TTF) М'яка
комутація Перетворювач напруги з послідовної резонансної ланцюгом (LLC) Не підходить через характеристик зворотного діода

Технологія C7 Gold (G7) розроблена на базі добре зарекомендувала себе технології С7, анонс якої відбувся в 2015 році. Номенклатура транзисторів G7 представлена ​​в таблиці 2. Одне з революційних досягнень технології C7 полягає в практично трикратному зниженні енергії паразитного вихідного конденсатора транзистора Eoss (рисунок 3) в порівнянні з попереднім поколінням CP. Разом з цим, у транзисторів C7 Gold (G7) запасається енергія знижена більш ніж на 15% в порівнянні з поколінням C7. Цей параметр відіграє вельми критичну роль для топологій з жорсткою комутацією, так як збережена в вихідний паразитної ємності енергія при включенні ключа розсіюється в тепло.

Мал. 3. Порівняння вихідний ємності різних поколінь MOSFET-транзисторів Infineon

Таблиця 2. Номенклатура транзисторів C7 Gold (G7)

Мал. 4. Порівняння транзисторів поколінь C7 і G7 по заряду затвора

Також в новій серії транзисторів значно зменшена ємність затвора Qgate (рисунок 4). З графіка видно, що заряд затвора у покоління G7 знижений більш ніж на 20% в порівнянні з поколінням C7. Загальновідомо, що від заряду затвора безпосередньо залежать часи відкриття і закриття приладу і, слідчо, втрати перемикання транзисторів.

Таким чином, завдяки всіх переваг покоління G7, для розробників відкриваються нові можливості проектування електронних пристроїв в діапазоні потужностей, які зовсім не типові для SMD-корпусів.

Корпус TOLL (P / PG-HSOF-8-2) - це розроблений компанією Infineon перший в світі SMD-корпус для транзисторів MOSFET на 600/650 В, оптимізований для ІВЕП високої потужності (до 3 кВт вихідної потужності при використанні всього одного транзистора) . Прабатьком цього корпусу був P / PG-HSOF-8-1, який успішно застосовувався в діапазоні низьких напруг до 300 В. Геометричні розміри корпусу TOLL представлені на малюнку 5. Далі будуть розкриті основні переваги та особливості нового корпусу.

Мал. 5. Геометричні розміри корпусу TOLL

Корпус TOLL є більш просунутою заміною стандартного і добре зарекомендував себе в минулому корпусу D2PAK. Володіючи меншими розмірами (рисунок 6), ніж D2PAK, корпус TOLL має на 20% менше теплове опір «кристал-корпус» Rth (JC) при порівнянні у всьому діапазоні опорів відкритого каналу Rds (on) (рисунок 7).

Мал. 6. Порівняння розмірів корпусів D2PAKі TOLL

Мал. 7. Порівняння транзисторів поколінь C7 і G7 по тепловому опору «кристал-корпус» в залежності від опору відкритого каналу

Зменшення Rth (JC) означає, що при однаковій потужності, що розсіюється втрат на приладі температура кристала всередині корпусу TOLL буде нижче. Разом з тим, втрати провідності також стануть менше, так як з ростом температури опір відкритого каналу Rds (on) також зростає. Ця перевага в кінцевому виробі можна використовувати двояко. З одного боку, завдяки більш низькій температурі корпусу можна знизити вимоги до системи охолодження або збільшити вихідну потужність пристрою. А з іншого - якщо залишити номінальну вихідну потужність перетворювача на тому ж рівні, то надійність і середнє напрацювання на відмову стануть вище.

Конфігурація висновків корпусу TOLL представлена ​​на малюнку 8. У корпусі конструктивно закладено управління затвором транзистора за допомогою бездротової технології Кельвіна. Тобто, корпус має два силових виведення і два висновки управління. Цокольовка TOLL передбачає шість висновків витоку (висновки 3 ... 8) і висновок стоку (висновок Tab), які призначені для протікання великого струму навантаження. Висновки 1 і 2 призначені для підключення виходу драйвера системи управління. Також є можливість, при необхідності, з'єднати силовий і керуючий висновок витоку, не використовуючи при цьому з'єднання Кельвіна.

Мал. 8. Конфігурація висновків корпусу TOLL

Основна причина, чому бажано використовувати з'єднання Кельвіна для управління транзистором - це усунення впливу паразитного індуктивності силового виведення витоку на час перемикання приладу. Дана паразитная індуктивність викликає небажані осциляції в ланцюзі затвора, які розтягують процес перемикання приладу і збільшують втрати на перемикання транзистора. Порівняння процесу перемикання ключа в корпусі TOLLс з'єднанням Кельвіна і ключа в корпусі TO-247 з трьома висновками зображені на малюнках 9 і 10 відповідно.

Мал. 9. Осцилограми перемикання транзистора в корпусі TO-247 з трьома висновками

На малюнку 9 можна бачити, що з-за паразитного індуктивності виведення витоку корпусу TO-247, яка приблизно дорівнює 15 нГн, з'являються значні осциляції в ланцюзі затвора. Паразитна індуктивність керуючого виведення витоку корпусу TOLL становить приблизно 1 нГн, що більш ніж на порядок нижче, ніж у TO-247. За рахунок цього рівень осциляцій ланцюга затвора помітно знижений (рисунок 10). Отже, втрати перемикання на ключі знижуються і утворюється відмінний заділ для збільшення частоти комутації перетворювача.

Мал. 10. Осцилограми перемикання транзистора в корпусі TOLL з з'єднанням Кельвіна в ланцюзі затвора

Мал. 11. Порівняння корпусів TOLL і TO-247
по параметру Creepage

Незважаючи на те, що корпус TOLL на перший погляд має відносно малі габаритні розміри (10х12 мм), він відмінно адаптований для роботи з високими напругами. Якщо порівняти такий параметр електробезпеки як мінімальний шлях витоку струму по поверхні діелектрика (Creepage) для корпусів TO-247 і TOLL, то виходить, що для TOLL Creepage становить 2,7 мм, а для TO-247 - 2,54 мм (рисунок 11 ). Звідси можна зробити висновок, що TOLL відмінно підходить для заміни TO-247.

Традиційні безвиводние корпусу, такі як ThinPAK, DirectFET ™ або SuperSO8, не підтримують автоматизовану оптичну інспекцію, так як їх контактні площадки заховані під корпусом. На відміну від традиційних корпусів, висновки корпусу TOLL «визирають» з торця. На висновках витоку і затвора розміщені спеціальні канавки трапецієподібної форми (рисунок 12). При Запевняю корпусу на канавках утворюється шар припою, який можна інспектувати за допомогою оптичних засобів. Зображення припаяного виведення корпусу TOLL під мікроскопом можна побачити на малюнку 13. Таке рішення дозволяє обійтися без дорогого рентгенівського контролю друкованих плат.

Мал. 12. Трапецієподібні канавки висновків
корпусу TOLL

Для багатьох електронних компонентів існують певні вимоги щодо допустимого терміну зберігання після відкриття заводської упаковки. Розрізняють декілька рівнів чутливості компонентів до вологи (Moisture Sensitivity Level), які відображені в таблиці 3. Волога проникає всередину заливного компаунда мікросхеми з навколишнього середовища. Після закінчення деякого часу концентрація вологи всередині корпусу збільшується настільки, що при запайке методом запікання може відбутися пошкодження компонента через внутрішнього надлишкового тиску. Тому деякі компоненти після контакту з навколишнім середовищем необхідно просушувати перед запаюванням на плату. Однак якщо просушувати корпус кілька разів, то це може негативно вплинути на його подальшу придатність до пайки. Під дією високої температури контакти можуть почати окислюватися. Більш того, пакувальні матеріали (матричні піддони, стрічки, туби, котушки) можуть не витримувати високу температуру просушування. Тому слід звертати увагу на спеціальне маркування, яка визначає максимальну допустиму температуру упаковки.

Мал. 13. припаяти висновок корпусу TOLL під мікроскопом

Таблиця 3. Рівні чутливості до вологи (MSL)

Рівень MSL Термін зберігання після відкриття упаковки Час Умови, ° С /% RH 1 Не обмежено ≤30 / 85 2 1 рік ≤30 / 60 2а 4 тижнів 3 168 годин 4 72 години 5 до 48 годин 5а 24 години 6 Обов'язково прогрівати перед використанням. Після прогрівання необхідно запаяти компонент протягом обмеженого часу

У зв'язку з вищесказаним, міжнародним комітетом стандартизації в галузі електроніки був розроблений стандарт IPC / JEDECJ-STD-033, відповідно до якого визначено кілька рівнів чутливості компонента до вологи (таблиця 3). Корпус TOLL виробництва компанії Infineon за ступенем чутливості до вологи має перший рівень MSL1, тобто найменш критичний до умов зберігання.

Польові транзистори серії C7 Gold в корпусі TOLL вийшли на ринок в кінця 2016 - початку 2017 рр. Поки пройшло зовсім небагато часу з моменту випуску серії, і очевидно, що розробники ІВЕП не мають достатнього досвіду роботи з новим SMD-корпусом. Отже, деякі важливі аспекти застосування корпусу, такі як організація відводу тепла, поки залишаються неясними і вимагають роз'яснень. Тому далі будуть описані деякі міркування і практичні рекомендації про правильному і грамотному відвід потужності втрат від корпусу TOLL. Рекомендований вид посадкового місця під корпус TOLL наведено на малюнку 14.

Мал. 14. Посадочне місце корпусу TOLL

При розробці ІВЕП з великою вихідною потужністю (1, 2, 3 кВт) при використанні силових ключів в SMD-корпусах перед розробниками постає непросте завдання. Для пристроїв в такому діапазоні потужностей від кожного ключа необхідно відводити потужність втрат близько 10 ... 20 Вт. Так як заливний компаунд корпусу є теплоізоляційним матеріалом і погано проводить тепло, то для стандартних SМD-корпусів існує єдина можливість відводити потужність втрат через припаяні до друкованої плати висновки.

Мал. 15. Схематичне зображення збірки корпусу TOLL на друкованій платі з перехідними отворами і радіатором

Одним з найбільш ефективних способів охолодження SMD-корпусів є відведення тепла через Перехідні отвори до радіатора, встановлений на протилежних боці друкованої плати. Схематично зображення цього методу охолодження представлено на малюнку 15. Найбільш важліве питання з конструктівної точки зору - це розміри и Кількість перехідніх отворів. З практичної точки зору Оптимальний діаметр перехідніх отворів знаходиться в діапазоні 0,3 ... 0,5 мм. Вибір отворів менше діаметра додасть додатковий ВАРТІСТЬ за складність виготовлення друкованої плати. Для того щоб максимізувати Кількість перехідніх отворів на одиниць площади Найкраще розташовуваті їх в Шахов порядку. Найбільш оптимальна відстань между перехіднімі отворами ставити 0,5 ... 1,0 мм. Також слід уникати попадання припою на контактну площадку, до якої притискається радіатор, так як ця поверхня повинна залишатися ідеально плоскою для найкращого теплового контакту. Термопровідних ізоляційна плівка між контактною площадкою і радіатором, хоч і може згладити деяку шорсткість, має досить обмежену здатність до вирівнювання поверхонь.

Далі буде розглянуто приклад розрахунку сумарного теплового опору системи охолодження, зображеної на малюнку 16. В якості силового ключа в корпусі TOLL обраний транзистор IPT60R028G7 c тепловим опором «кристал-корпус» Rth (JC) = 0,32 ° С / Вт. Для контактної площадки 80 мм2 оптимальну кількість перехідних отворів становить 160 шт, відстань між сусідніми отворами по вертикалі - 1 мм, по діагоналі - 0,7 мм. Порахувати сумарне теплове опір 160 з'єднаних паралельно перехідних отворів можна за формулою, наведеною нижче:

Мал. 16. Розміри перехідного отвору друкованої плати

(1)

де:

• d-товщина друкованої плати, мм;
• λ - теплопровідність, Вт / мм * ° С;
• s - товщина металізації отвори, мм;
• D - діаметр перехідного отвору, мм;
• n - кількість перехідних отворів, шт.

Розрахунок сумарного теплового опору системи охолодження представлений в таблиці 4. При цьому варто відзначити, що питома вага теплового опору радіатора становить більше 50% від загального. Тобто вибір радіатора з кращого тепловіддачею може дозволити значно збільшити рассеиваемую потужність втрат на ключі. Також, якщо замість термопровідних ізоляційної плівки використовувати теплопроводящую пасту, можна знизити тепловий опір цього шару з 2,38 ° C / Вт до 0,3 ... 0,7 ° C / Вт. У разі, якщо паяльна маска нанесена на контактну площадку, вона також починає перешкоджати поширенню тепла. Тепловий опір паяльної маски збільшує сумарний показник системи охолодження на 25 ... 30%. У той же час паяльна маска знижує механічне зусилля натискання на термопровідних ізоляційну плівку, тим самим погіршуючи її теплові характеристики. Тому вкрай бажано виключити паяльну маску з процесу теплообміну.

Таблиця 4. Розрахунок сумарного теплового опору системи охолодження

Компонент системи Товщина, мм Тепловий опір Rth, ° С / Вт IPT60R028G7 2,2 0,32 Припій (Sn / Ag) 0,05 0,038 Контактна площадка 80 мм2 0,07 0,0022 PCB (FR4 +160 перехідних отворів
d = 0,3 мм) 1,6 0,68 Контактна площадка 80 мм2 0,07 0,0022 Паяльная маска -0,05 -2,5 термопровідних ізоляційна плівка (TIM) K-10 0,15 2,38 Радіатор ( SK 566 FE) - 5 Сумарне значення - 8,64 (10,96)

При проектуванні ІВЕП з використанням ключів в SMD-корпусах існує кілька способів організації системи охолодження. У тих випадках, коли потужність теплових втрат на ключах не настільки велика або коли пристрій необхідно спроектувати без радіатора через обмежений вільного простору, існує можливість організувати тепловідвід з використанням спеціалізованої тепловідводної пасти, наприклад, GapPad 1500. Така паста має гарну теплопровідність (1,5 Вт / м • ° С) і діелектричної міцністю (> 500 В / мм). Для більш інтенсивного випромінювання тепла в навколишнє середовище необхідно застосовувати тепловідвідними пасту чорного або сірого кольору. Приклад використання тепловідводної пасти в якості радіатора представлений на малюнку 17.

Мал. 17. Приклад охолодження за допомогою тепловідводної пасти: а) вид зверху; б) вид знизу

Мал. 18. Плата адаптації корпусу TOLL

Читач може прийти до висновку, що застосування корпусу TOLL обов'язково повинно супроводжуватися істотною переробкою конструкції ІВЕП. Насправді, це не зовсім так. У разі якщо історично як ключі застосовувалися польові транзистори в вивідних корпусах, наприклад, TO-247, є можливість адаптувати новий SMD-корпус в виріб з мінімальними доробками. Потрібно спроектувати плату адаптації з ключем в корпусі TOLL. Всі корпуси TOLL виготовляються в 4-вивідному виконанні. Отже, якщо замінний корпус має 3 виведення, наприклад, TO-247-3, то основну друковану плату необхідно переробити на предмет додаткового отвору для з'єднання Кельвіна в ланцюзі затвора транзистора. На платі адаптації корпусу TOLL повинні бути передбачені ніжки, які функціонально і конструктивно повторюють ніжки ключа в вивідному корпусі. На задній стороні плати повинна бути передбачена контактна площадка для відводу тепла. У платі необхідно просвердлити отвір для кріплення до радіатора. Приклад плати адаптації представлений на малюнку 18.

Варіант з платою адаптації може послужити проміжним кроком у бік більш ефективного і сучасного корпусу TOLL. Основною мотивацією до конструктивних доопрацюванням подібного роду в серійному виробі може служити реальна можливість підвищити ККД перетворювача на величину 1,5 ... 2,0% (в залежності від покоління який застосовувався раніше транзистора), а також знизити рівень шумів в ланцюзі затвора за рахунок застосування сполуки Кельвіна . При цьому температура ключа буде помітно знижена.

Новий корпус TOLL виробництва компанії Infineon у виконанні для високовольтних транзисторів може в більшості застосувань замінити традиційні вивідні корпусу. У наступні 5 років відбудуться якісні зміни, які підштовхнуть індустрію силової електроніки до нового витка розвитку. Відбудеться зміна технологічних акцентів. Технології вже практично освоєні, зараз відбувається етап апробації та адаптації, не за горами і етап масового впровадження. Ті підходи і принципи, які ще вчора були визнані еталонами, сьогодні підлягають корінного перегляду, а завтра вже знайдуть нові форми.

Про компании Infineon

Компанія Infineon є світовім лідером з виробництва силових напівпровідніковіх компонентів, а такоже займає провідні позіції з виробництва автомобільної напівпровіднікової електроніки и смарт-карт. У 2015 году компанія Infineon Придбай Компанію International Rectifier, тім самим значний посил свои лідіруючі позіції в області сілової електроніки. Це поєднання відкріває Нові возможности для КЛІЄНТІВ, так як обідві компании чудово доповнюють один одного Завдяк Високому рівню ... читати далі