Силовая электроника №4'2011

Новые CoolMOS-устройства от Infineon задают новые стандарты

Кучак Матео-Алессандро

Лудштек-Пехлов Александра

Ципприк Дитер

Янчер Вольфганг


Новая технология CoolMOS 650V CFD2 задает новые стандарты характеристик высоковольтных мощных полевых МОП-транзисторов с быстродействующим паразитным диодом. Эти устройства сочетают в себе высокое запирающее напряжение (650 В), рекордно низкое Rdson и малые емкостные потери, а также повышенную коммутационную прочность паразитного диода на этапе обратного восстановления, особенно в схемах с жесткой и мягкой коммутацией. Кроме того, в паспорт данных компонентов вводятся новые номинальные характеристики — максимальные значения Qrr и trr. В настоящей статье рассматриваются факторы, влияющие на повышение коммутационной прочности паразитного диода. В частности, демонстрируются преимущества нового устройства на суперпереходах с быстродействующим паразитным диодом в случае полумостовой топологии HID.

Учитывая растущий спрос на повышение плотности мощности, топологии с «мягкой» коммутацией, такие как полумостовая (HID или LLC) и мостовая (например, ZVS-мост), представляются идеальным решением. Эти топологии снижают потери на переключение и повышают надежность системы за счет снижения динамических нагрузок на силовое устройство, обусловленных di/dt и dv/dt. Такие высокие нагрузки возникают, в основном, при работе в режимах, близких к холостому ходу [1]. Уже показано, что новые устройства на суперпереходах помогают преодолеть эту проблему за счет естественной оптимизации экстракции носителей заряда при обратном восстановлении и устранения эффекта защелкивания паразитного биполярного n-p-n-транзистора [2]. Существенное (почти десятикратное) уменьшение заряда обратного восстановления может быть достигнуто за счет повышения скорости рекомбинации инжектированных носителей заряда, которое приводит к снижению пикового тока обратного восстановления при выключении. Для оптимизации характеристик паразитного диода (рис. 1) в условиях жесткой коммутации особенно важны результирующая форма сигнала обратного восстановления и конструктивные требования к печатной плате [34]. Новое CoolMOS-устройство CFD2 с максимальным запирающим напряжением 650 В, спроектированное с учетом этих факторов, обладает улучшенными характеристиками обратного восстановления, а также увеличенным запасом по напряжению пробоя. Транзисторы CFD2 обладают улучшенной энергоэффективностью по сравнению с предыдущей серией CFD.

 Схематическое изображение высоковольтного мощного полевого МОП-транзистора CoolMOS

Рис. 1. Схематическое изображение высоковольтного мощного полевого МОП-транзистора CoolMOS с паразитным диодом в разрезе

Характеристики обратного восстановления

Кривая обратного восстановления CoolMOS-транзистора CFD2 номинальным напряжением 650 В показана на рис. 2. Она демонстрирует, что данное устройство имеет весьма малые значения заряда обратного восстановления Qrr, времени обратного восстановления trr и максимального тока обратного восстановления Irrm по сравнению с обычными устройствами.

 Экспериментальные кривые обратного восстановления

Рис. 2. Экспериментальные кривые обратного восстановления при di/dt = 100 А/мкс, 25 °C, Vr = 400 В. Новое устройство CFD2 демонстрирует очень малые значения Qrr, trr и Irrm в сравнении с обычным устройством

Вместе с тем, несмотря на кардинальное снижение Qrr, trr и Irrm, кривые обратного восстановления нового устройства по-прежнему имеют «мягкий» характер. Это весьма желательно в условиях жесткой коммутации для предотвращения выбросов напряжения и обеспечения надежной работы устройства.

Коммутационная прочность

Коммутационная прочность CoolMOS CFD2 демонстрируется экспериментальными кривыми обратного восстановления (рис. 3), полученными при значениях di/dt приблизительно до 2000 А/мкс.

 Экспериментальные кривые обратного восстановления CoolMOS CFD2

Рис. 3. Экспериментальные кривые обратного восстановления CoolMOS CFD2 (разрушения не удалось добиться даже при максимальных параметрах испытательной установки)

При этих условиях не удалось добиться разрушения ни одного устройства, причем кривые обратного восстановления по-прежнему имели «мягкий» характер, в отличие от резких кривых, которые наблюдались у других устройств на суперпереходах. Это очевидное преимущество для проектировщика, так как он может оптимизировать свою конструкцию для получения максимального быстродействия, не опасаясь разрушения устройства при жесткой коммутации паразитного диода.

Температурная зависимость Qrr и trr

Первостепенную важность для проектировщика представляет зависимость Qrr и trr от температуры. Значения Qrr и trr имеют тенденцию к росту с увеличением температуры ввиду более интенсивной генерации носителей заряда в устройстве. Эта зависимость показана на рис. 4 для устройства CFD2 на 310 мОм/650 В. Наблюдается линейный рост Qrr и trr с температурой.

 Температурная зависимость для устройства CFD2

Рис. 4. Температурная зависимость Qrr и Trr для устройства CFD2 с Rdson = 310 мОм

Зависимость Qrr и trr от Rdson

Еще один важный аспект, который следует учитывать, — это зависимость Qrr и trr от сопротивления Rdson устройства. Ее можно наблюдать на рис. 5 и 6 соответственно, где устройство CFD2 сравнивается с более ранними образцами технологии быстродействующих диодов компании Infineon.

 Зависимость Qrr от Rdson

Рис. 5. Зависимость Qrr от Rdson, полученная при +25 °C для устройств CFD2 с Rdson = 80, 310 и 660 мОм, в сравнении с более ранними образцами CoolMOS-транзисторов CFD
 Зависимость trr от Rdson

Рис. 6. Зависимость trr от Rdson, полученная при +25 °C для устройств CFD2 с Rdson = 80, 310 и 660 мОм, в сравнении с более ранними CFD В

Новое устройство CFD2 очевидным образом демонстрирует еще лучший баланс между динамическими характеристиками (Qrr, trr) и низким Rdson.

Оценка характеристик устройств в полумостовой схеме HID

Авторы также сравнили характеристики новых устройств с серийно выпускаемым устройством SPD07N60C3 в полумостовой схеме HID. При использовании новых CoolMOS CFD2 можно исключить из схемы диоды D2, D3, D4 и D5, снизив тем самым себестоимость системы (рис. 7).

 Типовая полумостовая схема HID

Рис. 7. Типовая полумостовая схема HID. Заменив транзисторы T2 и T3 CoolMOS CFD2, можно избавиться от диодов D2–D5

Осциллограммы на рис. 8 были получены при использовании устройства SPD07N60C3 в качестве транзисторов T2 и T3 с дискретными диодами D2, D3, D4 и D5. В этой схеме был достигнут КПД 91,81%.

 Осциллограммы работы схемы на фазе выключения транзистора T3 с устройством SPD07N60C3

Рис. 8. Осциллограммы работы схемы на фазе выключения транзистора T3 с устройством SPD07N60C3, работающим в качестве ключа, и диодами D2–D5. Достигнут КПД 91,81%

Если избавиться от диодов, включенных последовательно с транзисторами, исключается дополнительное падение напряжения в режиме прямой проводимости. Однако данное решение требует еще более высоких характеристик внутреннего паразитного диода полевого МОП-транзистора, если учесть рост потерь на переключение из-за запасенного в транзисторе заряда обратного восстановления. Эта ситуация показана на рис. 9.

 Осциллограммы работы схемы с устройством SPD07N60C3 без диодов D2–D5

Рис. 9. Осциллограммы работы схемы на фазе выключения транзистора T3 с устройством SPD07N60C3 без диодов D2–D5. Достигнут КПД 89,72%

Помимо возросших потерь на переключение, эта схема обладает еще одним недостатком: полевой МОП-транзистор может быть разрушен большим током обратного восстановления.

Более удачное решение можно получить, используя новое устройство IPD65R660CFD. Ввиду улучшенных характеристик внутреннего паразитного диода данного полевого МОП-транзистора можно реализовать схему без диодов D2–D5, добившись при этом значительно более высокого КПД. Такая схема изображена на рис. 10. Оптимизированная конструкция внутреннего паразитного диода нового устройства IPD65R660CFD в сочетании с очень малым зарядом обратного восстановления также обеспечивают надежную работу устройства.

 Осциллограммы работы схемы на фазе выключения транзистора T3

Рис. 10. Осциллограммы работы схемы на фазе выключения транзистора T3 с устройством IPD65R660CFD без диодов D2–D5. Достигнут КПД 92,81%

Заключение

Новое CoolMOS CFD2 имеет рекордно низкое сопротивление Rdson в сочетании с высоким запирающим напряжением (650 В). Кроме того, оно отличается весьма низким зарядом обратного восстановления и высокой коммутационной прочностью внутреннего паразитного диода. В паспорте устройства будут приведены максимальные значения Qrr и trr. Авторы также оценили характеристики нового устройства в типовой полумостовой схеме HID. При устранении из схемы четырех диодов удалось получить более высокий КПД. Ввиду высокого напряжения пробоя (650 В) и прочной конструкции внутреннего паразитного диода этот новый полевой МОП-транзистор характеризуется дополнительной защитой от разрушения при жесткой коммутации.

Литература

  1. Saro L., Dierberger K., Redl R. Highvoltage MOSFET behavior in soft-switching converters: analysis and reliability improvements // Proc. INTELEC. San Francisco, Oct. 1998.
  2. Frank W., Dahlquist F., Kapels H., Schmitt M., Deboy G. Compensation MOSFETs with fast body diode – Benefits in Performance and Reliability in ZVS Applications // Proceedings-CD of the IPECSA. San Francisco, March 29 – April 1, 2004.
  3. Ng R., Udrea F., Sheng K., Amaratunga G. A. J. // A Study of the CoolMOS Integral Diode: Analysis and Optimization // The 24th International Semiconductor Conference. Romania. 2001.
  4. Grütz A. Jahrbuch Elektrotechnik ‘98. VDE-Verlag. 1997.
  5. Burra R. K., Shenai K. CoolMOS Integral Diode: A Simple Analytical Reverse Recovery Model // PESC’2003. IEEE 34th Annual.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_04_21.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо