MOSFET или IGBT?
Сначала рассмотрим различия в целом. В настоящий момент все производители инверторов (ММА) выпускаются по двум полупроводниковым технологиям IGBT и MOSFET. Не буду вдаваться в подробности, скажу только то, что в схемотехнике этих аппаратов используются разные полупроводниковые транзисторы IGBT и MOSFET. Основое различие между этими транзисторами — различный ток коммутации. Большим током обладают транзисторы IGBT.
Для изготовления стандартного инвертора понадобится 2–4 IGBT транзистора (в зависимости от рабочего цикла), a MOSFET — 10–12, т. к. они не могут пропускать через себя большие токи, поэтому их приходится делить на такое большое количество транзисторов. Вот собственно в чем и отличие.
Тонкость в том, что транзисторы очень сильно греются и их необходимо установить на мощные алюминиевые радиаторы. Чем больше радиатор, тем больше съем тепла с него, а, следовательно, его охлаждающая способность. Чем больше транзисторов, тем больше радиаторов охлаждения необходимо установить, следовательно, увеличиваются габариты, вес и т.
д. MOSFET здесь однозначно проигрывает.
На практике схемотехника MOSFET не позволяет создать аппарат на одной плате: т.е аппараты, которые сейчас есть в продаже, собраны в основном на трех платах. IGBT аппараты всегда идут на одной плате.
Основные недостатки MOSFET
- соединение трех плат;
- худший теплообмен;
- каскадный выход транзисторов из строя при неисправности одного транзистора;
- меньший КПД (относительно IGBT).
Проще говоря, IGBT более современная технология, чем MOSFET.
Недостатки MOSFET
Что лучше MOSFET или IGBT?
Некоторые компании идут в ногу со временем и при производстве сварочных инверторов используют IGBT транзисторы американской фирмы «Fairchaild», частота переключения которых составляет 50 кГц, т. е. 50000 раз в секунду. IGBT технологию выбрали неспроста, ведь рабочий диапазон температур у них с сохранением параметров гораздо больше, чем у MOSFET, т. е. при нагреве у MOSFETa падают качественные характеристики.
В конструкции САИ (Ресанта) используется одна маленькая плата, которая устанавливается вертикально, а также 4 IGBT транзистора (работают обособленно друг от друга, т. е. не выгорают все, если выгорел один как у MOSFET) и 6 диодов-выпрямителей (а не 12 как у MOSFET), соответственно отказоустойчивость ниже. Это ещё один «плюс» IGBT.
Можно напомнить покупателю о том, что в современных сварочных инверторов используется только 4 обособленных транзистора, а не 12 каскаднозависимых как у MOSFET. Всякое в жизни бывает, но, чтобы не произошло в случае выхода из строя одного транзистора (если не гарантийный случай), замена покупателю обойдется где-то в районе 400 р., а не 12×110 р. = 1320 р. Думаю, что разница приличная.
Как отличить: Визуально аппараты IGBT в большинстве своём отличаются от MOSFET вертикальным расположением силовых разъёмов, т. к. плата одна и обычно устанавливается вертикально. У MOSFET аппаратов выходы обычно расположены горизонтально, т. к. платы в конструкции горизонтально закреплены.
Нельзя точно утверждать, что это верно на 100%. Точнее можно сказать, сняв кожух с аппарата.
Многие компании пытаются «выиграть баллы» на транзисторах. Так, например, компания «Aiken» в настоящий момент выпустила на рынок аппараты (по технологии MOSFET) с наклейками на боковых панелях «Используются транзисторы TOSHIBA» а также «Используются транзисторы Mitsubishi». Пытаются выползти на громких и знакомых брендах. На практике это не подтвердилось. Так на крупнейшей Международной инструментальной выставке России Moscow International Tool Expo (MITEX-2011), которая проходила в ноябре 2011г. в «Экспоцентре» (г. Москва), я попросил представителей стенда данной компании разобрать их САИ с наклейкой «Используются транзисторы Mitsubishi» и продемонстрировать данные транзисторы. В итоге сварочные инверторы разобрали, но данных транзисторов не обнаружили. Сами сотрудники компании «Aiken» были в шоке, обнаружив безымянные транзисторы.
MOSFET и драйверы затвора Infineon
23 декабря 2020
управление питаниемуправление двигателемInfineonстатьяинтегральные микросхемыSiCMOSFETIGBTAC-DCSiC MOSFET
Джованбаттиста Маттиуси, Диого Варахао (Infineon)
С целью поддержки своих карбид-кремниевых MOSFET из линейки CoolSiC, обеспечивающих наиболее высокую в отрасли производительность, компания Infineon предлагает шесть моделей специализированных ИС драйверов затвора из линейки EiceDRIVER, основанных на одном выходном каскаде драйвера Rail-to-Rail.
Глобальные тенденции, такие как цифровизация и борьба за энергоэффективность, в последние несколько лет ставят новые задачи для производителей электроники. Разработка силовых полупроводниковых устройств для повышения КПД систем управления питанием стоит на повестке дня всей отрасли.
Cиловые полупроводники, выполняя роль строительных блоков систем питания, являются одним из решающих факторов энергоэффективности. Разработчики систем питания – от источников питания до инверторов – сталкиваются со все более сложными задачами по повышению КПД без увеличения стоимости продукции. Фактор стоимости имеет принципиально важное значение. Помимо сохранения прибыли OEM-производителей, снижение цен на солнечные инверторы, источники питания с высоким КПД и электромобили будет способствовать развитию более экологичной инфраструктуры и окажет положительное влияние на будущее нашей планеты.
Выбор технологий
С точки зрения разработчика важно достичь обоснованного и сбалансированного компромисса между стоимостью и КПД.
Оптимальные применения каждой технологии
Как показано на рисунке 1, продукты на основе кремния, такие как Super-Junction MOSFET или IGBT, могут использоваться в широком диапазоне напряжений (от нескольких вольт до нескольких сотен вольт) и в разных классах мощности, в то время как продукты на основе SiC находят идеальное применение при напряжениях 650 В и выше, тем самым выходя за пределы кремниевой технологии и достигая уровней выше 3 кВ.
Устройства на основе GaN больше подходят для напряжений ниже 650 В. И SiC, и GaN значительно лучше кремния, когда требуется высокая рабочая частота. Таким образом, оптимальная технология определяется требованиями проекта и целями разработки.
Рис. 1. Технологии Si, SiC и GaN
Развивая все три технологии, компания Infineon предлагает широкий ассортимент продукции в диапазоне 600…650 В: CoolMOS™ Super-Junction MOSFET, CoolSiC™ SiC MOSFET и CoolGaN™ GaN нормально-открытые HEMT. Несмотря на то, что Super-Junction MOSFET-транзисторы удовлетворяют большинству современных требований к КПД и удельной мощности при оптимальной цене, в некоторых случаях, например, для улучшения термоустойчивости или при разработке устройств сверхвысоких удельных мощностей, технологии SiC и GaN будут оптимальным выбором. MOSFET-транзисторы CoolSiC™ демонстрируют превосходные тепловые свойства благодаря своей устойчивости, а HEMT-транзисторы CoolGaN™ подходят для высоких рабочих частот, что приводит к очень высоким уровням удельной мощности.
В будущем ожидается дальнейшее развитие WBG-полупроводников, которые заменят кремниевые устройства, однако все три технологии еще долгое время будут сосуществовать. Для некоторых применений внедрение технологии SiC будет идти быстрее из-за простоты ее использования и относительно легкого перехода от Super-Junction MOSFET и IGBT.
MOSFET-транзисторы CoolSiC™
Рис. 2. Основные особенности и характеристики устройств на MOSFET 650 В CoolSiC™
Тем не менее, сопротивление в открытом состоянии является основным исходным параметром данной технологии, и по-прежнему важно найти правильный баланс между показателями производительности (сопротивлением и потерями при переключении) и необходимой работоспособностью. MOSFET CoolSiC™ и соответствующие драйверы затвора EiceDRIVER™ разработаны так, чтобы полностью реализовать смысл технологии SiC, то есть обеспечить производительность за счет прочности, надежности и простоты использования.
Рис. 3. Линейка продуктов CoolSiC™ компании Infineon
В плане надежности MOSFET на основе SiC имеют слабое место в оксиде затвора (GOX) – в слое, которые изолирует затвор от истока. Рост кристаллов SiC привносит дефекты в структуру, и те дефекты, которые проникают через оксид затвора, могут создавать локальное утончение, увеличивая поле до пробоя диэлектрика, что в конечном итоге может разрушить устройство. Чтобы избежать этого, MOSFET-транзисторы CoolSiC™ имеют в своей структуре канавки, дающие два основных преимущества:
- меньшее количество дефектов в GOX за счет ориентации структуры;
- увеличенная толщина GOX без ущерба для производительности (можно выбрать более толстый GOX, что не повлияет на Ron), благодаря повышению надежности и более высоким возможным значениям напряженности электрического поля, что позволяет проводить испытания при увеличенных напряжениях, повышая эффективность выявления дефектов.
Что касается производительности, MOSFET-транзисторы CoolSiC™ характеризуются очень низкими потерями при переключениях и на проводимости за счет относительно пологой зависимости RDS(on) от температуры. Устойчивость к паразитным включениям не только уменьшает коммутационные потери, но также имеет большое значение с точки зрения простоты использования. Благодаря этой устойчивости MOSFET-транзисторы CoolSiC™ являются единственными устройствами на рынке, которые могут надежно отключаться при 0 В без необходимости использования отрицательного напряжения (хотя данные транзисторы можно использовать и в этом случае). В итоге схема управления становится проще и полностью совместима с решениями управления Super-Junction MOSFET.
В диапазоне управляющих напряжений необходимо иметь некоторый запас по напряжению между верхним пределом рабочего диапазона VGS и максимально допустимым напряжением VGS.max, указанным в спецификации. Такой запас гарантирует защиту от скачков, которые могут повредить оксид затвора, и дополнительно повышает надежность технологии CoolSiC™.
ИС EiceDRIVER™ для комплексного решения
Для оптимального управления и защиты устройств CoolSiC™ MOSFET 650 В компанией Infineon разработаны шесть специализированных ИС драйверов затвора. На рисунке 4 показаны четыре варианта исполнения микросхем, что позволяет легко адаптировать их к различным требованиям с точки зрения удельной мощности, места на печатной плате и класса изоляции [1].
Рис. 4. ИС драйвера затвора компании Infineon
Одноканальные неизолированные ИС EiceDRIVER™ 1EDN9550B и 1EDN6550B доступны в 6-выводном корпусе SOT-23 и могут использоваться для управления ключом нижнего плеча полумоста на транзисторах SiC [2]. Благодаря наличию дифференциальных входов они отлично подходят для 4-контактного подключения MOSFET с дополнительным выводом истока. Уникальная концепция дифференциального управления может предотвратить ложное срабатывание из-за резистивных или индуктивных падений напряжения между опорными потенциалами ИС контроллера и драйвера даже при быстрых переходных процессах [3].
Альтернативные решения для управления затвором становятся возможными благодаря использованию двухканальных изолированных ИС драйверов затвора. Драйвер EiceDRIVER™ 2EDF9275F, доступный в корпусе DSO-16 150 мил, идеально подходит для двухтранзисторной схемы с коррекцией коэффициента мощности [5]. Драйвер 2EDS9265H с усиленной изоляцией будет отличным выбором для резонансных LLC-преобразователей, когда сигналы ШИМ пересекают изоляционный барьер. Кроме того, этот драйвер поставляется в корпусе DSO-16 300 мил и соответствует требованиям стандартов безопасности VDE0884-10 и UL1577 [6].
В таблице 1 показаны основные характеристики специализированных ИС драйверов затвора для CoolSiC™ MOSFET 650 В. Несмотря на разные корпуса и классы изоляции входа-выхода, номинальные характеристики и сертификации, эти драйверы затвора основаны на одном выходном каскаде драйвера Rail-to-Rail. Он реализован с дополнительными МОП-транзисторами, которые могут обеспечить ток истока 5,4 А и ток стока 9,8 А для быстрого включения и выключения, чтобы минимизировать потери переключения.
При Ron равном 0,85 Ом для истока pМОП-транзистора и 0,35 Ом для стока nМОП-транзистора драйвер можно рассматривать почти как идеальный переключатель, позволяющий ему работать с меньшим охлаждением из-за меньшего рассеивания мощности в ИС.
Таблица 1. ИС драйверов затвора CoolSiC ™ MOSFET 650 В Infineon
| Наименование | Корпус | Изоляция «вход-выход» | UVLO2 (тип.) Вкл/выкл, В | Выходной пиковый ток истока/стока1, А | CMTI (мин.) | Задержка распро-странения, нс | Точность задержки распро- стра- нения | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Класс изоляции | Номиналы | |||||||
| 1EDN9550B* | SOT-23-6 | Без изоляции | Относительно общей точки: ≤ ±200 VDC ≤ ±400 VAC | 14,9/14,4 | 5,4/-9,8 | – | 45 | -7 нс/+10 нс |
| 1EDN6550B* | 12,2/11,5 | |||||||
| 1EDB9275F* | DSO-8 150 мил | Одиночная защита | Viso=3 кВRMS (UL1577) | 14,9/14,4 | 300 В/нс | 45 | -4 нс/+4 нс | |
| 1EDB6275F* | 12,2/11,5 | |||||||
| 2EDF9275F | DSO-16 150 мил | Функциональная | VIO=1,5 кВDC | 13,7/12,9 | 150 В/нс | 37 | -6 нс/+7 нс | |
| 2EDS9265H | DSO-16 300 мил | Усиленная | VIOTM=8 кВпик (VDE 0884-10) Viso=5,7 кВRMS (UL1577) | 13,7/12,9 | 150 В/нс | 37 | -6 нс/+7 нс | |
| * – Скоро в продаже; 1 VDDO=15 В, Vout= 0 В, Tокр.  среды= 25°C; 2 UVLO – защита от пониженных напряжений (undervoltage lockout). | ||||||||
Устойчивость к синфазным скачкам (Common-mode transient immunity, CMTI) имеет решающее значение для предотвращения искажения сигнала во время быстрых переходных процессов, возникающих между входными и выходными опорными потенциалами (землями) гальванически изолированной ИС драйвера затвора. Поскольку MOSFET на основе SiC могут генерировать нарастание напряжения выше 100 В/нс, CMTI является ключевым параметром, который следует учитывать при выборе драйвера затвора. Микросхемы 1EDB6275F и 1EDB9275F обеспечивают минимальную устойчивость CMTI на уровне 300 В/нс, а 2EDF9275F и 2EDS9265H – на уровне 150 В/нс, что намного превышает требования для большинства схем с быстрыми переключениями SiC-транзисторов.
Временные характеристики драйвера также имеют важное значение для использования всего потенциала MOSFET на основе SiC. Низкая задержка распространения сигнала от входа к выходу в сочетании с высокой точностью при колебаниях температуры и с учетом разброса параметров микросхем при производстве позволяет использовать короткий период мертвого времени между двумя сигналами ШИМ полумоста.
Это повышает КПД за счет увеличения эффективного времени передачи мощности.
На рисунке 5 показан типичный вариант использования MOSFET-транзисторов CoolSiC™ на 650 В компании Infineon в двухтранзисторной схеме с коррекцией коэффициента мощности. Он состоит из SiC-полумоста 48 мОм, управляемого гибридной конфигурацией драйверов EiceDRIVER™ 1EDB9275F и 1EDN9550B. Функции диодов в цепи питания обычно реализуются MOSFET-транзисторами с низким RDS(on), работающими как синхронные выпрямители. В итоге такой силовой каскад может управлять мощностью до 3,3 кВт с КПД выше 99% [7].
Рис. 5. Гибридное управление затвором MOSFET CoolSiC™ 650 В на основе EiceDRIVER™ 1EDB9275F и 1EDN9550B
Одним из преимуществ полупроводниковой технологии WBG компании Infineon является возможность использования стандартных драйверов затвора благодаря поддержке управляющих напряжений 0 В и 18 В. Управление затвором с помощью напряжения 18 В снижает RDS(on) примерно на 18% по сравнению с управляющим напряжением в 15 В [8].
В любом случае, учитывая обзор из таблицы 1, у разработчика есть множество вариантов с точки зрения защиты при пониженном управляющем напряжении UVLO. Функция UVLO гарантирует, что в случае падения напряжения питания VDDO до уровня, при котором силовой ключ будет работать в линейном режиме, ИС драйвера затвора будет держать транзистор в выключенном состоянии и в пределах его безопасной рабочей зоны, что позволяет избежать чрезмерного рассеивания мощности. При управлении затвором с помощью напряжения 15 В для транзисторов с напряжением выключения 11,5 В следует выбрать драйверы 1EDN6550B и 1EDB6275F. Для применений с более высоким напряжением управления затвором (например, 18 В) следует выбирать 1EDN9550B, 1EDB9275F, 2EDF9275F или 2EDS9265H, поскольку их уровень напряжения выключения UVLO выше. Кроме того, как показано на рисунке 5, рекомендуется подключить диод Шоттки между затвором и дополнительным контактом истока транзистора (выводом Кельвина) для сдерживания вызванных переключениями провалов на выводе затвора, которые могут привести к дрейфу порогового напряжения затвора VGS(th) в течение срока службы.
Поскольку 1EDB9275F, 1EDB6275F, 1EDN9550B и 1EDN6550B имеют инвертирующий (IN-) и неинвертирующий (IN+) входы, перекрестная защита может быть реализована путем разводки обоих сигналов ШИМ на каждую ИС драйвера затвора, как показано на рисунке 5. Любое нежелательное перекрытие сигналов ШИМ верхнего и нижнего плеча не будет распространяться на затворы транзисторов. Если такая дополнительная функция защиты не требуется, ее можно отключить, подключив IN- к GNDI.
Подведем итог: одноканальные и двухканальные ИС драйвера затвора с гальванической развязкой семейства EiceDRIVER™ являются наилучшим выбором для работы с транзисторами CoolSiC™ MOSFET 650 В с целью достижения оптимального сочетания КПД, удельной мощности и надежности для построения высокопроизводительных силовых преобразователей.
•••
Основы МОП-транзисторов, работа, типы, области применения, часто задаваемые вопросы МОП-транзисторы
или полевые транзисторы на основе оксида кремния с металлом были изобретены для преодоления недостатков, присущих полевым транзисторам, таких как медленная работа, высокое сопротивление стока и умеренное входное сопротивление.
В этой статье давайте узнаем об основах MOSFET.
Содержание
|
Основы МОП-транзистора
Что такое МОП-транзистор?
Полевые транзисторы на основе оксида металла и кремния, широко известные как МОП-транзисторы, представляют собой электронные устройства, используемые для переключения или усиления напряжения в цепях. Это устройство, управляемое напряжением, состоит из трех клемм. Выводы MOSFET названы следующим образом:
- Источник
- Ворота
- Слив
- Корпус
Конструкция МОП-транзистора
Схема MOSFET обычно представлена следующим образом:
- Полупроводник p-типа образует основу МОП-транзистора.
- Два типа базы сильно легированы примесью n-типа, которая обозначена на диаграмме как n+.
- Из сильно легированных областей базы берут начало выводы истока и стока.
- Слой подложки покрыт слоем диоксида кремния для изоляции.
- Тонкая изолированная металлическая пластина находится поверх диоксида кремния и действует как конденсатор.
- Клемма ворот выведена из тонкой металлической пластины.
- Затем формируется цепь постоянного тока путем подключения источника напряжения между этими двумя областями n-типа.
Принцип работы МОП-транзистора
При подаче напряжения на затвор генерируется электрическое поле, изменяющее ширину области канала, по которой текут электроны. Чем шире область канала, тем лучше проводимость устройства.
МОП-транзистор Типы
Классификация полевых МОП-транзисторов на основе конструкции и используемых материалов представлена ниже на блок-схеме.
МОП-транзисторы бывают двух классов: режим расширения и режим истощения .
Каждый класс доступен как n-канальный или p-канальный; следовательно, в целом они объединяют до четырех типов полевых МОП-транзисторов.
Режим истощения
При отсутствии напряжения на клемме затвора канал показывает максимальную проводимость. Когда напряжение на клемме затвора положительное или отрицательное, проводимость канала уменьшается.
Режим расширения
Когда на клемме затвора нет напряжения, устройство не проводит. При максимальном напряжении на клемме затвора прибор показывает повышенную проводимость.
N-канальные полевые МОП-транзисторы обозначаются аббревиатурой NMOS и символически представлены, как показано на рисунке ниже:
Аналогичным образом P-канальные полевые МОП-транзисторы обозначаются аббревиатурой PMOS и символически обозначаются следующим образом:
Рабочие области MOSFET
Полевой МОП-транзистор имеет три рабочие зоны. Здесь мы обсудим эти регионы.
Зона отсечки
Область отсечки — это область, в которой не будет проводимости, в результате чего полевой МОП-транзистор будет выключен.
В этом состоянии MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель.
Омическая область
Омическая область представляет собой область, в которой ток ( I DS ) увеличивается с увеличением значения В ДС . Когда МОП-транзисторы предназначены для работы в этой области, они используются в качестве усилителей.
Область насыщения
В области насыщения МОП-транзисторы имеют постоянную I DS несмотря на увеличение В DS и возникает, когда В DS превышает значение напряжения отсечки . В этом случае устройство будет действовать как замкнутый переключатель, через который будет поступать насыщенное значение 9.0083 I ДС потоки. В результате этот рабочий диапазон выбирается всякий раз, когда полевые МОП-транзисторы требуются для выполнения операций переключения.
МОП-транзистор в качестве переключателя
МОП-транзисторы обычно используются в качестве переключателей.
Схема ниже показывает конфигурацию MOSFET, когда он используется в качестве переключателя.
В схемной схеме N-канальный полевой МОП-транзистор с улучшенным режимом используется для включения и выключения простой лампы. Входное напряжение судьбы V gs настраивается на соответствующее положительное напряжение для включения устройства, а уровень напряжения устанавливается на отрицательное значение или ноль, чтобы выключить его.
Характеристики переключения как для N-канального, так и для P-канального полевого МОП-транзистора приведены в таблице ниже:
| МОП-транзистор Тип | ВГС ≪ 0 | ВГС = 0 | ВГС ≫ 0 |
| Расширение N-канала | ВЫКЛ | ВЫКЛ | НА |
| Истощение N-каналов | ВЫКЛ | НА | НА |
| Расширение P-канала | НА | ВЫКЛ | ВЫКЛ |
| Истощение P-канала | НА | НА | ВЫКЛ |
MOSFET против BJT
В этом разделе давайте обсудим некоторые различия между MOSFET и BJT.
| МОП-транзистор | БДЖТ |
| Существует два типа МОП-транзисторов, и они называются: N-тип или P-тип | BJT бывает двух типов, и они называются: PNP и NPN 9.0026 |
| МОП-транзистор — устройство, управляемое напряжением | BJT — токоуправляемое устройство |
| Высокое входное сопротивление MOSFET. | Низкое входное сопротивление BJT. |
| Используется в сильноточных приложениях | Используется в слаботочных приложениях |
Применение МОП-транзисторов
- Радиочастотные устройства широко используют усилители на МОП-транзисторах.
- MOSFET ведет себя как пассивный элемент схемы. Мощные полевые МОП-транзисторы
- могут использоваться для регулирования двигателей постоянного тока.
- МОП-транзисторы используются в конструкции цепи прерывателя.
Преимущества MOSFET
- МОП-транзисторы работают с большей эффективностью при более низких напряжениях.
- Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.
Недостатки MOSFET
- МОП-транзисторы уязвимы для повреждения электростатическими зарядами из-за тонкого оксидного слоя.
- Напряжение перегрузки делает МОП-транзисторы нестабильными.
Часто задаваемые вопросы о MOSFET
Что такое MOSFET?
MOSFET или полевые транзисторы на основе оксида кремния с металлическим оксидом кремния представляют собой управляемое напряжением четырехконтактное устройство, которое используется для переключения и усиления.
Может ли полевой МОП-транзистор проводить ток в обоих направлениях?
Да, МОП-транзисторы двунаправленные.
Сколько существует типов МОП-транзисторов?
МОП-транзисторы двух классов: Режим расширения и режим истощения .
Каждый класс доступен как n-канальный или p-канальный; следовательно, в целом они объединяют до четырех типов полевых МОП-транзисторов.
Каковы рабочие области MOSFET?
Существует три рабочих области, которые называются: область отсечки, омическая область и область насыщения.
В чем разница между MOSFET и BJT?
MOSFET — это устройство, управляемое напряжением, а BJT — устройство, управляемое током.
Следите за обновлениями BYJU’S и Влюбитесь в обучение !
Технология полевых МОП-транзисторов следующего поколения отвечает требованиям высоких тепловых характеристик в автомобильных приложениях.
Мощные полевые МОП-транзисторы играют ключевую роль в ряде распространенных приложений большой мощности и занимают особенно важное место в автомобильной промышленности благодаря высокой скорости переключения, возможности простого расширенного параллельного подключения, малой мощности привода затвора, широкой полосе пропускания, надежности и простоте применения.
и относительная простота ремонта.
Один из аспектов мощных полевых МОП-транзисторов, о котором часто не говорят, — это их тепловые характеристики.
Тепловая оптимизация системы становится все более важной по сравнению с электрической оптимизацией, поскольку требования к мощности в их приложениях возрастают. Кроме того, высокие тепловые характеристики полевых МОП-транзисторов необходимы для надежности.
Почему важны тепловые характеристики?
В системах силовой электроники температура является одним из критических параметров, поскольку многие свойства силовых полупроводников зависят от температуры. Например, на срок службы полупроводниковых компонентов сильно влияют колебания температуры из-за нагрузки. Каждое изменение температуры вызывает механическое напряжение в компоненте, которое влияет на соединения припоя и склеивания. В сценариях такого типа упор делается не на максимальную или минимальную температуру, которую может выдержать устройство, а на температурные циклы или переключение между температурами, которые наиболее важны для надежности и производительности.
[1]
Не все силовые полевые МОП-транзисторы подходят для высоких требований к питанию в современных автомобильных конструкциях и передовых промышленных приложениях. Только те полевые МОП-транзисторы, которые могут надежно работать в сложных тепловых условиях, будут частью этих развивающихся отраслей.
Использование электронных блоков управления (ECU) в автомобильной промышленности увеличилось как один из способов снижения веса и повышения эффективности транспортных средств. Хорошим примером этого является усилитель рулевого управления, который перешел от обычного контроля давления масла к двигателям постоянного тока, которые используют электронное управление или ЭБУ рулевого управления с электроусилителем.
Рисунок 1: Усилитель рулевого управления теперь использует сложные ЭБУ.
Другое применение мощных полевых МОП-транзисторов с высокими тепловыми характеристиками — тормозные системы с АБС. Антиблокировочные тормозные системы помогают транспортным средствам сохранять контакт с дорожным покрытием и предотвращают занос в таких условиях, как обледенелые или мокрые дороги.
Когда водитель применяет торможение, ABS многократно реагирует каждую секунду на изменение скорости вращения каждого колеса. Уменьшение или увеличение тормозного давления по мере необходимости для сохранения контроля. Двигатель насоса используется для повторного нагнетания давления в системах при работе системы ABS. МОП-транзисторы в этом приложении должны быть надежными и достаточно прочными, чтобы выдерживать как высокую внешнюю температуру самого транспортного средства, так и управлять коммутационной нагрузкой при сохранении теплового КПД.
Эти примеры, а также другие автомобильные приложения, такие как преобразование постоянного тока в постоянный и защита от переполюсовки аккумуляторной батареи, вызвали спрос на улучшенные характеристики мощных полевых МОП-транзисторов, используемых в переключающих устройствах в электронных блоках управления.
За пределами автомобильной промышленности силовые МОП-транзисторы с исключительными тепловыми характеристиками требуются для электроинструментов с батарейным питанием, оборудования для электропитания и телекоммуникационной инфраструктуры.
Все разработчики полевых МОП-транзисторов сталкиваются с одними и теми же проблемами, пытаясь уменьшить сопротивление МОП-транзистора, его коммутационную способность, а также его электромагнитную совместимость (ЭМС), чтобы получить полевой МОП-транзистор с очень низким сопротивлением и очень хорошими характеристиками переключения, не создавая при этом никаких излучаемых электромагнитных помех.
Чтобы удовлетворить потребность в высокой мощности с соответствующими тепловыми свойствами, разработчики полевых МОП-транзисторов переосмысливают традиционные межсоединения с проволочным соединением и переходят к медным зажимам для внутреннего соединения. В технологии зажимного соединения к поверхности матрицы прикрепляется сплошная медная перемычка, заменяющая несколько соединенных проводов. [2] Медный зажим обладает многими преимуществами, которые могут значительно улучшить электрические и тепловые свойства полевого МОП-транзистора, включая повышенную максимальную допустимую нагрузку по току и превосходную диффузию тока, улучшенный RDson, низкую индуктивность источника и низкое тепловое сопротивление (Rth).
В 2002 году Nexperia объединилась с Hitachi, чтобы улучшить текущие решения для мощных полевых МОП-транзисторов. В результате этого сотрудничества появилось семейство мощных полевых МОП-транзисторов LFPAK. Группы LFPAK представляют собой пакет медных зажимов, который конкретно устраняет ограничения предыдущих конструкций MOSFET.
Давайте подробнее рассмотрим физический дизайн LFPAK. Во-первых, у него очень большое подключение к истоку, что обеспечивает очень низкое сопротивление корпуса, а также очень короткие выводы, которые помогают уменьшить сопротивление корпуса и индуктивность верхнего зажима. Новый дизайн имеет три вывода для подключения к источнику, которые в значительной степени способствуют улучшению текущих возможностей корпуса. Предыдущие конструкции DPAK были ограничены 120 амперами, но меньший LFPAK способен выдерживать до 300 ампер.
По сравнению с DPAK сопротивление корпуса LFPAK улучшено примерно на 90 процентов.
Что касается способности обработки тока, речь идет не только о максимальном токе, который может выдержать устройство, но и о распределении тока. С типичным внутренним корпусом с проволочным соединением в условиях короткого замыкания или заблокированного ротора будут большие пусковые токи в течение коротких периодов времени, поэтому все тепло и ток скапливаются вокруг проволочных соединений, что приводит к очень высокой плотности тока там и очень маленькая плотность тока в другом месте устройства. Это означает, что вокруг проволочных соединений создается локальный нагрев, и кремний не получает полного покрытия в приложении.
Сравните это с LFPAK — поскольку он имеет большое подключение к источнику — ток распределяется равномерно по верхней поверхности устройства, и достигается очень хорошая устойчивость к коротким замыканиям по сравнению с традиционными корпусами с проволочным соединением.
Рисунок 2: LFPAK
Преимущества с выводами
Компания Nexperia является одним из поставщиков, предлагающих устройства с медными зажимами.
Одним из ключевых преимуществ использования электродов с выводами является возможность использовать стандартное оптическое контрольное оборудование для исследования открытых электродов. Паяные соединения легко проверяются без использования дорогостоящего рентгеновского оборудования, а паяные соединения верхних выступов также легко проверяются.
Еще одним важным аспектом конструкции LFPAK является то, что открытые выводы допускают пайку волной припоя, что может сыграть важную роль в обеспечении надежности при нагрузке. Когда печатная плата проходит через значительные температурные циклы, она расширяется, сжимается и изгибается в зависимости от температурных условий. В случае закрепления бесвыводной упаковки без гибкости поводка повторяющиеся движения платы могут привести к растрескиванию пластика в месте соединения, что создает риск попадания в упаковку загрязнений или попадания влаги, что может вызвать параметрические сдвиги. или даже отказ устройства.
В случае использования LFPAK или других комплектов с выводами в тех же сложных условиях, выводы действуют как амортизатор движения.
Таким образом, когда печатная плата расширяется, сжимается и изгибается, выводы расширяются и сжимаются вместе с ней и поглощают все изгибы печатной платы. Испытания LPAK показали, что корпус выдержал более 2000 температурных циклов и не выявил ухудшения состояния паяного соединения.
Тепловые характеристики
Одной из важных областей, в которой LFPAK отличается от семейства DPAK, являются тепловые характеристики. Устройства меньшего размера предпочтительнее из-за экономии места, которую они дают, однако они также вызывают обоснованную озабоченность по поводу их тепловых характеристик, а в приложениях, где тепловые характеристики имеют первостепенное значение, обычно выбирают более крупные корпуса. Однако семейство полевых МОП-транзисторов LFPAK демонстрирует, что высокие тепловые характеристики доступны в небольшом корпусе.
Полевой МОП-транзистор в системе впрыска топлива, в которой температурный режим является ключевым элементом, является хорошим примером для изучения этого.
В общих чертах, приложение для впрыска топлива представляет собой полевой МОП-транзистор, который периодически управляет соленоидной нагрузкой, включая и выключая ее. Время и чистое включение и выключение имеют первостепенное значение. Поскольку соленоид является индуктивной нагрузкой, отключение индуктивной нагрузки означает, что МОП-транзистор работает в лавинном режиме. Лавинный режим относится к значительному току, проходящему через полевой МОП-транзистор, поэтому тепловые характеристики являются ключевыми.
Тепловое моделирование
Тепловое моделирование RC MOSFET является важным инструментом для ранней проверки конструкции, позволяющим инженерам быстро проверить, подходит ли устройство для мощности и температуры, связанных с приложением. В настоящее время симуляторы цепей, использующие математические модели для воспроизведения поведения реальных электронных устройств или схем, являются стандартными средствами разработки и оптимизации электронных систем. Однако до сих пор моделирование ограничивалось электронными функциями, потому что в доступных сегодня имитационных моделях температурная зависимость обычно ограничивается изменением статической глобальной температуры.
Nexperia предлагает разработчикам простые в использовании инструменты для лучшего понимания тепловых требований и пределов своих проектов, предоставляя тепловые модели Foster RC для всех силовых полевых МОП-транзисторов.
Семейство LFPAK
Портфолио LFPAK включает шесть продуктов. LFPAK88 заменяет более крупные блоки питания с проводным соединением, такие как D²PAK и D²PAK-7. Он имеет площадь основания 8 x 8 мм, что позволяет уменьшить физическую площадь на 60 % и уменьшить профиль на 64 %.
Конструкция LFPAK88 с медными зажимами и паяным кристаллом обеспечивает низкое электрическое и термическое сопротивление, хорошее распределение тока и рассеивание тепла. Максимальный ток 425 А и низкое значение RDS (вкл.) 0,7 мОм при небольшом размере корпуса обеспечивают плотность мощности в 48 раз выше, чем у устройств D²PAK.
Наконец, LFPAK88 предлагает уникальные выводы типа «крыло чайки» с низким напряжением, которые создают прочный и термически устойчивый корпус и обеспечивают более чем в два раза более высокий уровень надежности, чем требуется автомобильным стандартом AEC-Q101.
Рисунок 3: LFPAK88.
Мощные полевые МОП-транзисторы для автомобильных и промышленных инноваций должны предлагать растущий набор функций, включая плавный пуск, вставку под напряжением, устойчивость к коротким замыканиям, лавинную устойчивость и тщательное управление температурным режимом. Внимание будет уделяться различным моделям теплового моделирования по мере роста требований к удельной мощности этих приложений. Корпуса MOSFET, которые могут обеспечить производительность, надежность и проверенное качество AEC-Q101, будут играть ключевую роль в продвижении инноваций.
Производитель полупроводников Nexperia удовлетворяет спрос на полевые МОП-транзисторы с высокими тепловыми характеристиками для автомобильной промышленности. Они разрабатывают продукты, в которых используется технология медных зажимов для производства корпусов с очень низким сопротивлением и надежной коммутационной способностью, при этом не создавая электромагнитных помех.
Продукты Nexperia LFPAK, такие как LFPAK88, готовы к использованию в автомобильной промышленности и соответствуют стандартным квалификационным стандартам AEC-Q101.
