Силовая электроника №3'2012

Номенклатура, параметры и применение интеллектуальных силовых модулей компании Fairchild

Петропавловский Юрий


Статья знакомит с историей компании Fairchild Semiconductor Corporation и с новинками в ассортименте ее продукции.

История

Компанию Fairchild Semiconductor Corporation (Сан Хосе/Калифорния, США) основала в 1957 г. так называемая «вероломная восьмерка» (рис. 1) — инженеры, уволившиеся из компании Shockley Semiconductor Laboratory, созданной лауреатом Нобелевской премии по физике Уильямом Шокли. Новую компанию назвали в честь венчурного инвестора Fairchild Camera and Instrument, предоставившего финансирование в размере $1,5 млн взамен на право выкупа образованной компании, что и было сделано в 1958 г.

 Основатели Fairchild Semiconductor

Рис. 1. Основатели Fairchild Semiconductor

В 1959 г. Роберт Нойс, один из основателей Fairchild Semiconductor, изобрел первую кремниевую интегральную микросхему, оказавшуюся пригодной для массового производства. Патент на нее был получен Нойсом в 1961 г. (U.S. Patent № 2981877, April 25, 1961). На рис. 2 показана памятная доска, установленная на здании Fairchild, где была изобретена первая коммерческая микросхема [1]. Вскоре компания стала одним из ведущих производителей операционных усилителей и других аналоговых микросхем. В 1968 г. Роберт Нойс и Гордон Мур вслед за рядом ведущих сотрудников уволились из Fairchild Semiconductor из-за конфликта с инвестором и основали Intel. В 1979 г. инвестор (вместе с «дочкой») был поглощен нефтесервисной компанией Schlumberger, а в 1987-м контроль над Fairchild Semiconductor перешел к National Semiconductor. Снова независимой Fairchild стала в 1997 г., а спустя два года сама приобрела подразделение устройств питания фирмы Samsung и стала публичной компанией (биржевой тикер FCS на Нью-Йоркской фондовой бирже).

 Памятная доска в честь изобретения первой кремниевой микросхемы

Рис. 2. Памятная доска в честь изобретения первой кремниевой микросхемы

Компания имеет корпоративные офисы в Саут-Портленде (штат Мэн) и в Сингапуре, региональные центры продаж и сервиса в США, Гонконге, Великобритании, Японии и Корее. Дистрибьюторами Fairchild, в том числе авторизованными, являются десятки компаний по всему миру, в России это Arrow Central Europe, EBV Elektronik.

Достижения Fairchild в области силовых полупроводниковых приборов и микросхем для управления питанием

  • 1998 г. — выпуск 8-разрядного контроллера управления двигателями ACEX в корпусе TSSOP-8.
  • 1999 г. — разработка технологии SPS, позволяющей объединить микросхему ШИМ-контроллера с ключами на полевых транзисторах SenceFET в одном корпусе для применения в импульсных источниках питания; разработка технологии QFET, позволившей получить лучшие в отрасли параметры силовых ключей, таких как заряд затвора, Rds on, dV/dt.
  • 2000 г. — выпуск первого полевого транзистора FDZ204P в корпусе BGA размерами 2×2 мм (ток стока до 4,5 А). Запатентованная технология корпусирования позволила получать выходные токи до 30 А при небольшой площади, занимаемой приборами на плате.
  • 2001 г. — компания занимает лидирующие позиции на рынках дискретных полупроводниковых приборов в Азиатско-Тихоокеанском регионе, в том числе в таких приложениях, как блоки питания (AC/DC-, DC/DC-преобразователи), приводы двигателей, балласты систем освещения.
  • 2002 г. — представление запатентованной технологии SyncFET Fairchild в третьем поколении приборов PowerTrench (первый прибор FDS6670AS — N-канальный PowerTrench SyncFET 30 В/13,5 А, Rds on = 9 мОм).
  • 2003 г. — представление самого маленького модуля управления двигателями FSBB20CH60, содержащего 16 чипов в одном корпусе (три фазы IGBT, 600 В/20 А, размеры корпуса 44×26,8 мм).
  • 2010 г. — выпуск N-канального PowerTrench SyncFET FDM7570S с минимальным в отрасли Rds on = 2,9 мОм (25 В/40 А) в корпусе Power 33 размерами 3,3×3,3 мм [2].

Награды, присужденные Fairchild в 2000-х гг.

  • Диплом журнала Application of Electronic Techniques (AET) — за ШИМ-контроллер со встроенным MOSFET для обратноходовых преобразователей FSEZ1307 (технология TRUECURRENT). Основные параметры прибора: Uси/Iс — 500 В/0,5 А; рабочая частота 50 кГц (без нагрузки 370 Гц, потребляемая мощность в дежурном режиме менее 30 мВт); диапазон рабочих температур кристалла Tj — –40…+150 °C; корпус SOP-7 с размерами 5×4×1,75 мм.
  • Диплом журнала ECN Tech Award 2010 — за N-канальный полевой транзистор FDMC7660, выполненный по технологии PowerTrench в корпусе Power 33 (рис. 3). Основные параметры прибора: Uси/Iс — 30 В/40 А; Rds on — 1,8–2,6 мОм; Eas — 200 мДж; Qg — 54 нК; tr/tf — 6,8/5,7 нс; диапазон рабочих температур Tj — –55…+150 °C.
    Корпус Power 33

    Рис. 3. Корпус Power 33
  • Диплом Strategic Supplier Award от компании Power One (одного из крупнейших производителей источников питания) — за Field IGBT FGH40N65UFD, выполненный по технологии Fiels Stop IGBT. Основные параметры: Uds/Ids 650 В/80 А; Uce (sat) — 1,8–2 В; tr/tf — 44/30 нс; Ets (общая энергия потерь) — 1,65 мДж; корпус ТО-247; Tj — -40…+150 °C.
  • Серебряная медаль ресурса Semiconductor Applications (SemiApps.com) за одно из лучших «зеленых» решений и золотая награда Golden Mousetrap Award ресурса DesignNews (designnews.com), а также премия за лучшее приложение EDAW фирмы NEC — контроллер для полумостовых резонансных преобразователей напряжения FSFR2100 серии Fairchild Power Switch (FPS) со встроенными полевыми транзисторами SuperFET. Микросхема предназначена для резонансных (квазирезонансных) преобразователей в режиме переключения при нулевом напряжении (ПНН/ZVS, [4]). Основные параметры микросхемы: рабочая частота до 300 кГц (с коэффициентом заполнения 50%); Рвых источников питания с радиатором — до 450 Вт, без радиатора — до 200 Вт; эффективность более 94%; Rds on — 0,38 Ом; Uds/Ids — 600 В/11 А; Tj — –40…+130 °C; корпус 9-SIP с размерами 26,2×10,7×3,4 мм. Типовая схема включения контроллера приведена на рис. 4.
    Типовая схема включения контроллера для резонансных преобразователей FSFR2100

    Рис. 4. Типовая схема включения контроллера для резонансных преобразователей FSFR2100
  • Диплом за лучший инновационный продукт «Best Innovative Product Award) 2007 года от EDAW-Nikkei Electronics China’s — интегральный синхронный понижающий преобразователь FAN2106, выполненный по технологии TinyBuck. Основные особенности и параметры микросхемы: Uвх — 3–24 В; Uвых — 0,8 В-0,8Uвх; Iвых — 6 А; эффективность более 95%; программируемая рабочая частота в диапазоне 200–600 кГц; диапазон рабочих температур исполнения FAN2106EMPX — –40…+85 °C; 25-выводной корпус 3-Pad MLP размерами 5×6×0,8 мм. Типовая схема включения прибора приведена на рис. 5.
    Типовая схема включения понижающего преобразователя FAN2106

    Рис. 5. Типовая схема включения понижающего преобразователя FAN2106
  • Продукт года (2008) от компании EnGenius Network (engeniustech.com) — FSBB30CH60 — интеллектуальный («умный») силовой модуль SPMTM (Smart Power Module). Внешний вид модуля показан на рис. 6. Модуль обеспечивает управление трехфазными двигателями переменного тока. В его состав входят: три схемы управления верхними ключами; схема управления нижними ключами; шесть мощных IGBT и шесть антипараллельных диодов. Основные особенности и параметры модуля: низкое тепловое сопротивление кристалл/корпус (0,97 К/Вт для IGBT, 1,77 К/Вт для диодов) благодаря использованию подложки DBC; Uсеs/Ic — 600 В/30 А (для каждого IGBT).
    Внешний вид модуля FSBB30CH60

    Рис. 6. Внешний вид модуля FSBB30CH60

Актуальные продукты Fairchild

В 2012 г. компания приступила к выпуску продуктов следующих категорий: приборы для системы управления питанием (Power Management); микросхемы для обработки сигналов (Signal Path ICs); логические микросхемы; микросхемы для систем освещения; оптоэлектроника; продукты для автомобилей [5]. Перечислим приборы, относящиеся к системам управления питанием и автомобильным компонентам:

  • корректоры коэффициента мощности — 24 типа приборов;
  • изолированные DC/DC-преобразователи — 136 типов, неизолированные DC/DC-преобразователи — 57;
  • драйверы затворов IGBT/MOSFET — 51;
  • стабилизаторы напряжения — 128;
  • микросхемы и модули для управления двигателями (Motion Control) — 67;
  • диоды и мосты — 1294; IGBTs — 82; MOSFET — 1171, транзисторы — 625;
  • коммутаторы нагрузок (Advanced Load Switches) — 87;
  • зарядные устройства (Battery Management) — 8;
  • контроллеры устройств защитного отключения (Ground Fault Interrupt Controllers) — 6;
  • приборы для систем задней подсветки (Backlighting Unit) — 3;
  • мощные дискретные элементы — 116;
  • высоковольтные драйверы затворов (HVICs) — 6;
  • коммутаторы верхних плеч силовых ключей (high Side Smart Switches) — 4.

Для управления двигателями переменного тока фирма выпускает большую номенклатуру интеллектуальных силовых модулей Motion-SPM, в состав которых входят силовые элементы, устройства защиты и схемы управления верхними и нижними ключами. Особенности модулей:

  • разнообразные варианты корпусов и исполнений модулей для привода двигателей мощностью до 10 л. с.;
  • оптимизированные конструкции корпусов модулей для обеспечения высокой плотности мощности;
  • компактность приводов промышленного назначения малой и средней мощности;
  • гарантированный диапазон рабочих температур кристаллов модулей –40…+150 °С;
  • высокие напряжения изоляции;
  • высокая надежность и малые потери переключения.

Возможные области применения — промышленные системы управления движением (конвейеры, робототехника и т. п.); насосы; вентиляторы промышленного и сельскохозяйственного назначения; тренажеры (беговые дорожки, велотренажеры и т. п.); бытовая техника (стиральные и посудомоечные машины, холодильники, кондиционеры, электроинструменты и др.).

Интеллектуальные силовые модули

Компания выпускает четыре серии интеллектуальных силовых модулей, отличающихся диапазонами выходных токов, размерами и конструкциями корпусов. Приведенные на рис. 7 значения выходных токов модулей обеспечиваются при температуре корпуса +25 °С. Классификационные параметры интеллектуальных силовых модулей Motion-SPM компании приведены в таблице, данные взяты из Datasheets конкретных модулей, размещенных на сайте компании.

 Семейство модулей SPM

Рис. 7. Семейство модулей SPM

Таблица. Основные параметры модулей

Тип модуля Vces/Vdss, В Рдвиг, кВт Ic/Id, A Vcesat, B (Tj = +25 °C) Rds on, Ом fsw, кГц Подложка Защита
SPM45H, IGBT, в корпусе SPM26L, Uизол = 2000 В
FNA41060B2 600 1 10 2,2 5 керамика NTC термистор, от КЗ (CSC)
FNB41560B2 1,5 15 2,1 20 NTC, CSC
FNA41560B2 1,5 15 2,3 5
FNB40560 0,5 5 1,9 20
FNB41060 1 5 2 20
FNB41560 1,5 7,5 2,1 20
FNA41060 1 10 2,2 5
FNA40560 0,5 5 2,2 5
FNA40860 0,8 8 2,2 5 от перегрева (TSD), CSC
FNA41560 1,5 15 2,3 5 TSD, CSC
SPM5, MOSFET, в корпусе SPM23L, Uизол = 1500 В
FSB50450T 500 0,15 3 2,4 20 Full package
FSB50250UD 0,1 1,1 4,2
FSB50250UTD 0,1 1,1 4,2
FSB50450UD 0,15 1,5 2,4
FSB50550UTD 0,2 2 1,4
FSB50250US 0,1 1,1 4,2
FSB50450US 0,15 1,5 2,4
FSB50550US 0,2 2 1,4
FSB50550T 0,2 3,5 1,7
FSB50450S 0,15 3,5 2,4
FSB50250 0,1 1 4
FSB50450 0,15 1,5 2,4
FSB50825US 250 0,2 2 0,45 UVLO
FSB50325T 0,1 3 1,8
FSB52006S 60   2,2 0,08
SPM3, IGBT, в корпусе SPM27L, Uизол = 2500 В
FSBB20CH60CL 600 2 20 2 20 DBC TSD, CSC
FSBB20CH60CT 2 20 2,2
FSBF10CH60BTL 1 10 2,2 Full package
FSBB20CH60C 2 20 2 DBC
FSBB30CH60C 3 30 2
FSBB15CH60C 1,5 15 2
FSBF15CH60BT 1,5 15 2,2 Full package
FSBB15CH60F 1,5 15 2,3 DBC CSC
FSBB20CH60F 2 20 2,3
FSBB30CH60F 1,5 30 2,75
FSBS15CH60F 1,5 15 2,3 керамика
FSB32560 2,5 25 2,15
FSBF10CH60B 1 10 2 Full package TSD, CSC
FSBF10CH60BT 1 10 2,2
FSBF5CH60B 0,5 5 2
FSBS10CH60 1 10 2,3 керамика CSC
FSBS15CH60 1,5 15 2,3
FSBS3CH60 0,3 3 2,3
FSBS5CH60 0,5 5 2,3
FSBB20CH60 2 20 2,3 DBC
FSBB15CH60 1,5 15 2,3
FSBB30CH60 3 30 2,75
SPM2, IGBT, в корпусе SPM32L, Uизол = 2500 В
FSAM75SM60A 600 7,5 75 2,4 5 DBC UV, NTC, CSC
FSAM50SM60A 5 50 2,4 5
FSAM15SH60A 1,5 15 2,5 15 керамика
FSAM15SM60A 1,5 15 2,3 5
FSAM20SM60A 2 20 2,3 5
FSAM30SH60A 3 30 2,5 15
FSAM30SM60A 3 30 2,3 5
FSAM10SH60A 1 10 2,5 15
FSAM20SH60A 2 20 2,5 15

SPM2 (корпус DIP)

Модули данной серии (рис. 8) выпускаются в двух исполнениях, с керамической подложкой и подложкой DBC (Direct Bonded Cooper). Приборы FSAMxxxSM могут работать с частотами переключения 5 кГц, FSAMxxxSH — 15 кГц (типовые значения). Типовая схема включения и структура модулей с керамической подложкой показаны на рис. 9. Особенности модулей:

  • встроенный термистор с отрицательным ТКС для контроля температуры;
  • регулируемый ток срабатывания схемы защиты от КЗ, реализованной на основе датчиков тока эмиттеров нижних IGBT;
  • раздельные выводы эмиттеров нижних IGBT;
  • рабочие частоты коммутации до 20 кГц;
  • отсутствие необходимости применения оптронов для питания верхних IGBT (общий вывод корпуса всех драйверов модулей);
  • выходная мощность (Power rating) до 7,5 кВт при сетевом напряжении 230 В;
  • оптимизация параметров IGBT в открытом и закрытом состоянии;
  • напряжение изоляции 2500 В/мин (RMS/min);
  • низкое тепловое сопротивление кристалл/подложка.
 Внешний вид модулей серии SPM2

Рис. 8. Внешний вид модулей серии SPM2
 Схема включения модулей серии SPM2

Рис. 9. Схема включения модулей серии SPM2

SPM3 (корпус mini-DIP)

Модули выпускаются в двух исполнениях: V2 (приборы этого вида требуют внешнего соединения выводов Vs и выходов U/V/W) и V4 (приборы с внутренними связями для Vs, в их состав также интегрированы бутстрепные диоды и схемы температурной защиты). Приборы исполнения V2 FSBSxxxCHxxx обеспечивают выходной ток 3, 5, 10, 25 А и выполнены в корпусах с керамической подложкой, а модули FSBBxxxCHxxx с выходным током 15, 20, 30 А выполнены в корпусах с подложкой DBC. Модули исполнения V4 FSBFxxxCHxxBxxx выпускаются на ток 3, 5, 10, 15 А в корпусах с подложкой Full Pack, а модули FSBBxxxCHxxxCxxx на ток 15, 20, 30 А выполнены к корпусах с подложкой DBC. Внешний вид модулей серии SPM3 соответствует показанному на рис. 6, структура и типовая схема включения показаны на рис. 10. Особенности приборов:

  • оптимизированные NPT IGBТ для получения наилучшего соотношения между потерями проводимости и потерями переключения;
  • короткое время задержки (dead time);
  • оптимизированные тепловые характеристики корпуса, позволяющие получить большую плотность мощности в приложениях небольшой мощности;
  • схемы защиты UVLO, TSD, SCP;
  • отдельные выводы нижних IGBT для подключения датчиков тока;
  • встроенные бутстрепные диоды и резисторы в цепях затворов;
  • однополярное питание драйверов верхних и нижних ключей.
 Схема включения модулей SPM3

Рис. 10. Схема включения модулей SPM3

SPM45H (корпус μMini-DIP)

Модули этой серии выпускаются в двух вариантах: FNAxxxx с минимальными потерями проводимости и рекомендованной рабочей частотой переключения 5 кГц и FNBxxxx с минимальными потерями переключения и рекомендованной рабочей частотой 15 кГц. Внешне приборы отличаются от представителей предыдущей серии числом выводов и размерами корпуса (39×23 мм), на 40% меньшего, чем у модулей SPM3. Структура и типовая схема их включения показаны на рис. 11. Видно, что драйверы верхних и нижних IGBT, в отличие от рассмотренных выше приборов, выполнены на двух чипах (применена новая схема драйвера затворов HVIC — три драйвера в одном чипе). Встроенный термистор интегрирован вместе с чипами IGBT в керамическую подложку модулей, что повышает эффективность схем температурной защиты. Особенности модулей:

  • улучшенные кремниевые технологии IGBT, FRD для уменьшения потерь и достижения высокой электрической прочности;
  • встроенные бутстрепные диоды и независимый вывод Vs;
  • высокая надежность, обеспечиваемая благодаря применению подложек с улучшенными параметрами;
  • схемы защиты UVLO, SCP ключевых IGBT без выведения сигнала ошибки;
  • функция мягкого выключения при срабатывании схем защиты;
  • отсутствие необходимости применения оптронов в цепях интерфейса драйверов HVIC;
  • минимизированный ток потребления драйверов HVIC/LVIC в дежурном режиме.
Схема включения модулей серии SPM45H

Рис. 11. Схема включения модулей серии SPM45H

Серия SPM5

Модули (рис. 12) выпускаются в трех типах малогабаритных корпусов: Tiny-DIP (DIP), Tiny-DIP (SMD), Tiny-DIP (Double-DIP). Приборы предназначены для применения в управляемых электроприводах мощностью до 200 Вт и отличаются небольшой ценой и высокими эксплуатационными характеристиками. В состав модулей входят шесть полевых транзисторов (FRFET, UniFET) с оппозитными диодами (диоды с мягким восстановлением) и три полумостовых драйвера затворов MOSFET. Структура и типовая схема включения модулей (DIP, SMD) показаны на рис. 13. Особенности приборов:

  • использование технологии FRFET;
  • корпус с оптимизированными тепловыми характеристиками, обеспечивающий высокую плотность мощности (небольшие размеры позволяют легко интегрировать модули непосредственно в двигатели);
  • высокая электрическая прочность (ruggedness) при переключении и коротких замыканиях;
  • большая область безопасной работы (SOA);
  • небольшой уровень электромагнитных излучений (малые dV/dtdI/dt);
  • отдельные выводы истоков нижних MOSFET для подключения датчиков тока;
  • управление драйверами HVIC/LVIC с логическими уровнями КМОП/ТТЛ 3,3/5 В.
 Внешний вид модулей серии SPM5

Рис. 12. Внешний вид модулей серии SPM5
Схема включения модулей серии SPM5

Рис. 13. Схема включения модулей серии SPM5

Укажем основные параметры некоторых модулей, разработанных в последнее время (за исключением приведенных в таблице).

FNA40560 (2012 г.)

Структура и типовая схема включения модуля соответствуют приведенным на рис. 11. Входной интерфейс совместим с КМОП-логикой 3,3/5 В (на входах интерфейса установлены триггеры Шмитта). Переходные характеристики модулей при переключении показаны на рис. 14, типовые значения временных параметров для верхних и нижних IGBT: ton — 0,7 мкс; tc (on) — 0,2 мкс; toff — 0,75 мкс; tc (off)  — 0,25 мкс; trr — 015 мкс (при Vpn = 300 В Vcc = Vbs = 15 В, Ic = 5 А, Tj = +25 °C).

 Переходные характеристики модуля FNA40560

Рис. 14. Переходные характеристики модуля FNA40560

Зависимости общих потерь переключения IGBT и антипараллельных диодов (FRD) модулей от тока коллектора при Tj = +150 °С, Vpn = 300 В и Vcc = 15 В приведены на рис. 15. Сопротивление встроенного термистора составляет 47 кОм при температуре +25 °С и 2,9 кОм при Т = +100 °С.

 Зависимость потерь переключения модуля FNA40560 от тока коллектора

Рис. 15. Зависимость потерь переключения модуля FNA40560 от тока коллектора

FNA40860 (2011 г.)

Модули этого типа отличаются от FNA40560 бóльшими допустимым током коллектора и выходной мощностью, другие параметры изменены незначительно.

FNA41560/B2 (2010 г.)

Выходная мощность и допустимый ток коллектора этих модулей еще больше, структура и типовая схема включения также соответствуют приведенным на рис. 11. Большинство других параметров отличаются незначительно.

Литература

  1. http://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1959-Noyce.html
  2. http://www.fairchildsemi.com/company/history/
  3. http://www.fairchildsemi.com/company/awards/index.html
  4. http://www.symmetron.ru/articles/Renesas-HA16163.shtml
  5. http://www.fairchildsemi.com/products/
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_03_33.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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