Использование полевых транзисторов в импульсных источниках питания

Основные параметры электронных преобразовательных схем определяются характеристиками применяемых ключевых полупроводниковых элементов. В преобразователях силовой электроники в качестве ключевых элементов широко используются полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Основными преимуществами MOSFET по сравнению с другими ключевыми элементами являются высокое быстродействие и низкая потребляемая мощность в цепи управления.

 

MOSFET производят многие ведущие компании мира, в том числе компания STMicroelectronics (STM), которая длительное время является одним из лидеров мировой полупроводниковой промышленности. Ведущее место этой компании постоянным совершенствованием технического уровня выпускаемой продукции, разработкой новых технологий производства полупроводниковых компонентов и непрерывным расширением продуктовых линеек. На сегодня STMicroelectronics является компанией, производящей одно из самых эффективных высоковольтных семейств MOSFET в мире.

 

Семейства низковольтных транзисторов STM имеют общее название STripFET и отличаются индексом, который соответствует порядковому номеру поколения технологии. Технология STripFET III была представлена в 2005 г. Транзисторы STripFET V появились в 2008 г. У них было снижено сопротивление слоя металла благодаря увеличению толщины, улучшена структура затвора, использован вертикальный контакт м-trench, что привело к снижению сопротивления канала и уменьшению полного заряда затвора. В этом же году начали производиться транзисторы серии F4, выполненные по технологии STripFET DeepGATE. В последующем эта технология была усовершенствована до STripFET VI DeepGATE с затвором в виде канавки (Trench MOSFET). Данная технология за счет исключения паразитного сопротивления R_JFET позволяет значительно снизить сопротивление канала и повысить плотность структуры кристалла. Однако в применениях с большой индуктивной нагрузкой по прежнему используют транзисторы пятого поколения, выдерживающие большие энергии лавинного пробоя. 

 

Высоковольтные транзисторы STM представлены серией MDmesh. Эта серия в настоящее время насчитывает пять поколений транзисторов. Концепция MDmesh основана на использовании глубоких р-областей под базой транзистора. За счет увеличения площади p-n перехода можно снизить сопротивление эпитаксиального слоя без уменьшения пробивного напряжения. Таким образом, преодолевается противоречие между сопротивлением канапа и пробивным напряжением. Концепция MDmesh в настоящее время используется многими ведущими компаниями и известна под названиями CoolMos, DTMOS, SuperFet, Gen9 и пр. Компания “Микроника” тоже в их числе реализует эту концепцию с использованием глубокой канавки, заполненной поликремнием, легированным бором в процессе роста, а также производит обычные планарные высоковольтные транзисторы для специального применения. 

 

Одно из основных применений MOSFET нашли в импульсных источниках питания, в LED-драйверах, в которых используется как высоковольтные, так и низковольтные транзисторы в ключевом режиме. Типовой импульсный источник питания состоит из предварительного AC/DC-преобразователя входного переменного тока с корректором мощности, на выходе которого формируется высокое напряжение, как правило, 400 В. Поэтому AC/DC-преобразователь содержит высоковольтные MOSFET. Далее DC/DC-преобразователь понижает высокое напряжение до необходимого уровня. Затем конечный DC/DC-преобразователь формирует выходные напряжения 1.2…12 В, необходимые большинству современных электронных приборов. Данных преобразователь требует наличия низковольтных MOSFET. Многие применения требуют наличия различных режимов работы: режим низкой рассеиваемой мощности (резервный или «спящий») и нормальный режим, обеспечивающий максимальную эффективность работы. Некоторые применения требуют наличия одного выходного напряжения, другим нужны несколько. При выборе типа применяемого источника питания (ИП) важным параметром является выходная мощность. С целью обеспечения оптимальности показателя цене/качество для различных применений в зависимости от выходной мощности разработаны различные типы преобразователей напряжения. Правильный и оптимальный выбор MOSFET, учет особенностей их применения обеспечивает сокращение сроков разработки и достижение необходимых параметров преобразователей напряжения. В данной статье предлагается методика выбора высоковольтных MOSFET компании STMicroelectronics для импульсных ИП.

 

Параметры MOSFET

 

Основные параметры MOSFET, которые определяют характеристики проектируемого импульсного ИП и выбору которых необходимо уделять основное внимание, показаны в табл.1. Выбор необходимого уровня этих параметров определяется функциональным назначением прибора, входными/выходными напряжениями и токами, частотой работы, выходной мощность, необходимостью обеспечения как максимальной допустимой мощности рассеяния, так и минимальных потерь MOSFET на проводимость и переключение. Различие в выходной мощности преобразователей, требования наличия баланса между рассеянием и потерями мощности обуславливают различные требования для корпусов. 

Таблица 1

Параметры	Обозначение
Статические параметры
Максимальное напряжение "сток-исток"	V(BR)DSS
Максимальный постоянный ток стока	ID
Максимальное напряжение на затворе	VGS
Сопротивление "сток-исток" в открытом режиме	RDS(ON)
Параметры переключения
Задержка включения	td(on)
Время нарастания сигнала	tr
Задержка выключения	td(off)
Время спада	tf
Динамические параметры
Суммарный заряд затвора	QG
Входная емкость	CISS
Входное сопротивление затвора	RG
Проходная емкость (емкость Миллера)	CRSS
Тепловые параметры
Максимальная температура перехода	TJ(MAX)
Тепловое сопротивление "переход-корпус"	RTH_JC

 

Выбор типа корпуса

 

Выбор типа корпуса для MOSFET главным образом определяется следующими показателями: рассеиваемой мощностью, расстоянием между выводами, размером, стоимостью.

 

Рассеяние мощности, охлаждение

 

Тип корпуса MOSFET для использования в конкретном применении выбирают исходя из требуемой мощности рассеяния. Мощные корпуса ТО-220 и особенно ТО-247 со встроенным радиатором и форсированным отводом могут рассеивать большое количество тепла – 1.5 и 2.0 Вт соответственно – без внешних радиаторов. Однако в импульсных ИП современных электронных устройств, где большое значение имеет занимаемый объем, в основном применяются корпуса для поверхностного монтажа (SMD). В табл.2 показаны тепловые параметры основных типов SMD-корпусов компании STMicroelectronics.

Таблица 2

Корпус	Площадь монтажа, мм2	Мин. рекомендуемая площадь теплоотвода на плате, мм2	TJMAX град	TTHJ-PCB*, град/Вт	TTHJ-PCB**, град/Вт	PD, Вт
D2PAK	210	120	175	34.0	42.0	4.4
Power SO-10	140	60	175	35.0	50.0	4.3
DPAK	80	45	175	50.0	62.0	3.0
PowerFLAT 5x5	25	15	150	31.2	60.0	4.0
PowerFLAT 6x5	30	23	150	31.2	60.0	4.0
SOT-223	50	15	150	38.0	56.6	3.3
PowerSO-8	30	23	150	42.0	56.6	3.0
SO-8	30	23	150	50.0	100	2.5
TSSOP8	20	15	150	83.6	100	1.6

 

Расстояние между выводами корпуса

 

Расстояние между выводами должно соответствовать напряжению, используемому в данном применении.

 

Размер, объем корпуса

 

Размеры корпуса MOSFET также могут определятся параметрами корпуса ИП. Например, в адаптерах для ноутбуков используются корпуса DPAK или D2PAK для обеспечения минимальной высоты.

 

Стоимость

 

Как правило, меньший корпус дешевле, чем корпус большего размера. Также технология поверхностного монтажа более эффективна по стоимости при производстве плат ИП. Полностью изолированный корпус транзистора позволяет снизить стоимость сборки тепловых радиаторов, так как исключает необходимость размещения изоляционной прокладки между корпусом транзистора и радиатором.

 

Выбор параметров высоковольтных MOSFET

 

Выбор величины пробивного напряжения

 

При выборе уровня пробивного напряжения необходимо учитывать следующие факторы:

 

Лавинное напряжение пробоя BV_DSS, которое всегда несколько выше максимального – допустимого напряжения “сток-исток” V_DS т.е. существует некоторый запас.

 

Температурные зависимости пробивного напряжения транзистора BV_DSS, как правило, приведены в спецификациях. На рис.1.а, и рис.1.б приведены температурные зависимости пробивного напряжения для 600-В MOSFET ST STB10NK60Z и STE70NM60. По этим зависимостям можно определить пробивное напряжение транзистора при рабочих температурах перехода +100…+120 градусов. Обычно эта величина на 4—7% выше пробивного напряжения при комнатной температуре.

 

Рис. 1.а, 1.б

 

Однако следует отметить. что если прибор будет использоваться в аппаратуре при отрицательных температурах, то необходимо, чтобы пробивное напряжение транзистора на этих температурах было выше. чем максимальное напряжение на стоке, для предотвращения лавинного пробоя транзистора в момент включения аппаратуры. Минимальное пробивное напряжение V_(BR)DSS , указанное в спецификации на транзистор для комнатной температуры и имеющее такой же положительный температурный коэффициент, как и BV_DSS. Уровень выбросов напряжения (spike), обусловленный наличием индуктивностей и паразитных емкостей в плате применения. Уровень выбросов напряжения не должен превышать 7-90% от минимального пробивного напряжения V_(BR)DSS

 

Выбор рабочей температуры перехода

 

Рабочая температуре перехода не должна достигать максимальной рабочей температуры, определенной в спецификации, но для обеспечения запаса по надежности рабочая температура должна быть ниже максимальной.

 

Снижение рабочей температуры на 20-30 градусов может приводить к увеличению среднего времени наработки до отказа на порядок. С другой стороны, сопротивление транзистора в открытом состоянии R_DS(ON) повышается с ростом температуры перехода, что ведет к потерям проводимости. По этим причинам рекомендуется рабочая температура перехода, составляющая 55-65 % от максимально допустимой.

 

Выбор уровня тока

 

В большинстве применений MOSFET не подвергается воздействию максимального тока по той причине, что для снижения потерь мощности на проводимость выбирают транзистор с низким сопротивлением, у которого максимальный ток выше чем необходимо. Тем не менее требуется проверить область надежной работы (Safe Operating Area, SOA) выбранного MOSFET на предмет соответствия уровней необходимых тока и напряжения области устойчивой работы транзистора (рис.2.а).

 

Рис. 2.а, 2.б

 

Далее следует проанализировать передаточную характеристику транзистора (рис.2.б), чтобы убедиться в том, что напряжение на затворе транзистора достаточно для его полного открытия. те. транзистор должен быть способен пропустить максимальный импульсный ток в схеме применения во всех режимах работы конечного устройства. Особенно в режимах различной защиты или короткого замыкания на выходе устройства, когда питающее напряжение схемы управления, а соответственно и напряжение на затворе транзистора, может уменьшаться. Если транзистор не удовлетворяет этому требованию, необходимо выбрать другой транзистор с более высоким уровнем тока.

 

Выбор уровня сопротивления в открытом состоянии R_DS(ON) и динамических параметров

 

Выбор правильного уровня R_DS(ON) - одна из самых главных задач в разработке схемы применения. Граница по R_DS(ON) определяется максимально допустимой мощностью рассеяния для конкретного применения и максимальной температурой перехода MOSFET. Потери мощности MOSFET разделяются на потери проводимости и потери на переключение.

 

Потери проводимости легко вычисляются исходя из значений сопротивления R_DS(ON) и величины тока стока. Некоторая проблеме может возникнуть при расчете потерь на переключение. Эти потери определяются как характеристиками самого MOSFET так и конструкцией платы. В частности, такими характеристиками как динамические параметры транзистора, нелинейной выходной емкостью «исток-сток», суммарным сопротивлением затвора транзистора, паразитными емкостями и индуктивностями платы применения. В связи с этим выбор MOSFET по сопротивлению — это сложный процесс, который может потребовать несколько итерации. Входными данными этого процесса являются выходная мощность, форма импульса тока, конструкция платы применения. Также должна быть известна рабочая частота переключения транзистора, которая соответствует другим параметрам, таким как электромагнитные шумы или магнитные потери, но не связана с потерями мощности MOSFET, должна быть выбрана конструкция радиатора, для которого известно тепловое сопротивление R_{TH_CA}.

 

Одним из наиболее корректных и практичных путей определения оптимального уровня сопротивления в сочетании с определенными динамическими параметрами MOSFET является оценка общей мощности потерь по измерению рабочей температуры перехода в тестовой плате применения. Конечно такие измерения соответствуют только данному применению, и для каждого применения необходима соответствующая плата, так как паразитные параметры различны для разных применений. Сутью данного метода является предварительный выбор транзистора по расчетной максимально допустимой мощности рассеяния с учетом используемых условий применения (температур перехода и окружающей среды; конструкции радиатора) с последующей оценкой реальной общей мощности потерь.

 

Выбор параметров низковольтных MOSFET

 

Низковольтные MOSFET составляют основу DC/DC-преобразователей, формирующий конечные выходные напряжения. Это накладывает свою специфику на выбор MOSFET для таких применений.

 

Типовая схема DC/DC-преобразователей показана на рис.3. В этой схеме основным является транзистор верхнего ключа SW1 (high side MOSFET), а транзистор нижнего ключа SW2 (low side MOSFET) является синхронизирующим. Наличие транзистора нижнего ключа значительно снижает потери энергии в DC/DC-преобразователе. При этом основные режимы работы транзисторов различны, поэтому различны и параметры, определяющие выбор необходимого транзистора.

 

Рис. 3

 

Выбор параметров MOSFET верхнего ключа

 

Транзистор верхнего ключа работает главным образом в режиме переключения, поэтому для него наиболее важны динамические параметры: низкий заряд затвора, низкие внутренние емкости и, соответственно, малые времена переключения. Хорошие динамические параметры обеспечивают высокую скорость переключения, малые динамические потери и в итоге высокую эффективность преобразователя в целом. При этом уменьшение значения такого важного параметра, как сопротивление R_DS(ON) не является определяющим для повышения эффективности. Поэтому сопротивление MOSFET верхнего ключа может быть достаточно высоким для оптимизации цены и размера. 

 

 

При повышении частоты работы преобразователя его эффективность снижается из-за повышения в целом потерь на переключение, но важность обеспечения высокой скорости переключение повышается, на котором приведена зависимость эффективности DC/DC-преобразователя с параметрами MOSFET верхнего ключа согласно табл.3 от величины выходного тока для частоты f_SW =440 кГц.

 

Выбор параметров MOSFET нижнего ключа

 

Так как MOSFET нижнего ключа большую часть времени является открытым, то потери проводимости, определяемые величиной сопротивления R_DS(ON) вносят основной вклад в рассеяние мощности. Для снижения величины сопротивления в зависимости от необходимого уровня выходного тока можно использовать один или несколько транзисторов нижнего ключа.

 

Рис.4

 

Как и в случае MOSFET верхнего ключа, в качестве примера в табл.4 приведены значения параметров двух MOSFET нижнего ключа и соответствующие им кривые эффективности на рис.4 при использовании для обоих случаев одного и того же транзистора верхнего ключа SW11.

 

Заключение

 

Описанные критерии и особенности выбора как высоковольтных, так и низковольтных MOSFET компании STMicroelectronics с учетом особенностей из применения позволяют с практической точки зрения подойти к первоначальному подбору и окончательному определению необходимых оптимальных типов транзисторов. Обращено внимание на некоторые особенности выбора и применения транзисторов исходя из их режимов работы в импульсных ИП.