Силовая электроника №2'2013

Перспективные полевые МОП-транзисторы DTMOS, U-MOS компании Toshiba Semiconductor

Петропавловский Юрий


Компания Toshiba Semiconductor (TSC), входящая в группу Toshiba Corporation, является одним из крупнейших мировых производителей дискретных полупроводниковых приборов и микросхем. В каталоги компании 2013 г. включены силовые полевые транзисторы средней и большой мощности, IGBT, комбинированные сборки транзисторов и диодов различного типа, а также MOSFET для автомобильных приложений. В категорию низковольтных (30–250 В) полевых транзисторов включены приборы на основе технологии U-MOS, а в категорию высоковольтных (600 В) — на основе технологии DTMOS. Статья расскажет о конструкции и характеристиках новинок.

Компания Toshiba Semiconductor (TSC), входящая в группу Toshiba Corporation, является одним из крупнейших мировых производителей дискретных полупроводниковых приборов и микросхем. В июле 2011 г. в группе была проведена внутрифирменная реорганизация с образованием компании The Semiconductor & Storage Company, в состав которой вошла TSC и подразделение приборов для хранения информации. Компания располагает центрами разработки полупроводниковых систем (Semiconductor System Engineering Center) и микроэлектроники. Производственные мощности компании расположены не только в Японии, но и в Малайзии, Таиланде, Китае и на Филиппинах. Компания разрабатывает и выпускает широкий спектр микросхем различного назначения и дискретных полупроводниковых приборов, в том числе силовых транзисторов и микросхем для управления двигателями и источников питания.

В каталоги компании 2013 г. включены силовые полевые транзисторы средней и большой мощности, IGBT, комбинированные сборки транзисторов и диодов различного типа, а также MOSFET для автомобильных приложений. В категорию низковольтных (30–250 В) полевых транзисторов включены приборы на основе технологии U-MOS, а в категорию высоковольтных (600 В) — на основе технологии DTMOS [1].

Полевые транзисторы U-MOS выполнены на основе технологии с вертикальным затвором (Trench MOS). Компания разработала уже несколько поколений транзисторов U-MOS, параметры которых постоянно улучшались. На рис. 1 показаны диаграммы, отражающие снижение удельного сопротивления открытого канала Ron A для различных поколений U-MOS транзисторов с Р-каналом (розовая линия) и N-каналом (синяя линия). Полевые транзисторы U-MOS VIII-H относятся к восьмому поколению низковольтных Trench MOS-транзисторов и характеризуются одними из лучших в отрасли параметрами энергоэффективности. Структура кристалла транзистора U-MOS VIII-H приведена на рис. 2, ее основной особенностью является вертикальное расположение канала. К известным преимуществам транзисторов Trench MOS относятся уменьшенное значение RDS on, большая плотность тока на единицу площади кристалла и более высокая устойчивость к лавинному пробою, чем у приборов, выполненных по планарной технологии.

 Снижение удельного сопротивления полевых транзисторов U-MOS
Рис. 1. Снижение удельного сопротивления полевых транзисторов U-MOS

 Структура Trench MOS
Рис. 2. Структура Trench MOS

Приборы U-MOS VIII-H обеспечивают значительно лучший компромисс между сопротивлением RDS on и входной емкостью Сiss в сравнении с Trench MOSFET 4-го поколения U-MOS IV, обладают повышенной устойчивостью к лавинному пробою и меньшим уровнем излучений. Сопротивление потерь на единицу площади кристалла Ron A в сравнении с типичными N-канальными МОП-транзисторами примерно вдвое меньше. Для определения эффективности преобразования энергии в источниках питания на полевых транзисторах часто используется показатель Ron×Ciss, для U-MOS VIII-H он примерно на 60% меньше, чем у приборов U-MOS IV.

Для сравнения специалисты компании провели измерения эффективности AC/DC-преобразователя с выходным напряжением 19,5 В при Uсети = 100 В/60 Гц, выполненного на полевых транзисторах различных производителей. Зависимости эффективности преобразования от величины выходного тока испытываемого преобразователя приведены на рис. 3. В тестировании были использованы транзисторы TK65E10N1 (U-MOS VIII-Н, 100 В/4 мОм) и IPP045N10N3 (Infineon, 100 В/3,9 мОм), а также группа приборов IRFB4410ZGPbF (International Rectifier), FDP047N10 (Fairchild), PSMN5R6-100PS (NXP). Как видно из диаграмм, эффективность преобразователя на транзисторах Toshiba и Infineon самая высокая в группе испытуемых приборов, а при малых нагрузках TK65E10N1 лучше, но уступает IRFB4410ZGPbF. Основные области применения транзисторов U-MOS VIII-H — AC/DC- и DC/DC-преобразователи для широкого спектра промышленных и потребительских приложений, средств связи и оборудования для информационных технологий. Специально для автомобильных приложений компания выпускает ряд приборов с максимальной температурой канала до +175 °С в соответствии с требованиями стандарта AES-Q101 и с защитными стабилитронами между затвором и истоком. Транзисторы выпускаются в корпусах DPAK (TO-252), TO-220SM/SIS (TO-263/SC-67), TO-3P (SC-65), TSON Advance (MO-240), PS-8.

 Эффективность преобразователя напряжения
Рис. 3. Эффективность преобразователя напряжения

Высоковольтные полевые транзисторы DTMOS выполнены на основе технологии Super-Junction, компании разработала уже четыре поколения приборов с данной технологией и постоянно улучшающимися параметрами. На рис. 4 приведены диаграммы, показывающие снижение удельного сопротивления открытого канала транзисторов Ron A для различных поколений МОП-транзисторов с n-каналом серий π-MOS, DTMOS. Приборы DTMOS IV относятся к четвертому поколению высоковольтных полевых транзисторов со структурой Super-Junction, приведенной на рис. 5. Данная структура увеличивает напряжения пробоя за счет применения вертикально ориентированного пакета из слоев n- и p-типов для формирования обедненного слоя, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля вдоль p-n-переходов. Структура Super-Junction обычно обеспечивает и более низкие значения потерь проводимости в сравнении с другими структурами.

 Снижение удельного сопротивления транзисторов DTMOS
Рис. 4. Снижение удельного сопротивления транзисторов DTMOS

 Структура Super-Junction
Рис. 5. Структура Super-Junction

При производстве приборов DTMOS IV используется однофазная эпитаксиальная технология (Single-epi Process) для формирования в пакетах слоев p-типа. Наиболее часто используемая многофазная эпитаксиальная технология (Multi-epi Process), в сравнении с однофазной, чувствительна к изменениям концентрации легирующих примесей на стыках p-n-переходов за счет термодиффузии. Кроме того, при однофазной эпитаксии формируется дополнительный пакет слоев n- и p-типов (рис. 6), что позволяет уменьшить размеры кристалла или увеличить производительность прибора. Однофазная эпитаксиальная технология позволяет также сократить производственный цикл при изготовлении кристаллов транзисторов, так как эпитаксиальный рост слоев p-типа в пакетах производится только один раз [2].

 Технологии эпитаксии
Рис. 6. Технологии эпитаксии

Потери проводимости, определяемые в основном RDS on, у приборов DTMOS IV снижены примерно на 30% по сравнению с предыдущим поколением DTMOS III. Кроме того, приборы нового поколения характеризуются меньшим сопротивлением потерь на единицу площади, например, при Т = +125 °С их сопротивление Ron A на 10% меньше, чем у транзисторов DTMOS III, а потери переключения Eoss — на 12%. Компания последовательно, в течение ряда лет, снижает удельное сопротивление Ron A выпускаемых высоковольтных полевых транзисторов. На рис. 7 показаны диаграммы, иллюстрирующие этот процесс в сравнении с приборами компаний Infineon (Cool-MOS), Fairchild (SuperFET), STMicroelectronics (MDmesh).

 Сравнение приборов различных производителей
Рис. 7. Сравнение приборов различных производителей

Классификационные параметры полевых транзисторов DTMOS IV из каталога TSC 2013 г. приведены в таблице 1. В таблицу включены перспективные приборы DTMOS IV на напряжение Uси = 600/650 В и приборы DTMOS IV с быстрыми диодами (Uси = 600/650 В) [3]. В таблицу 1 вошли только приборы со статусом МР («массовая продукция»), транзисторы со статусом ES («экспериментальная серия») и разрабатываемые типы приборов в таблицу не включены. Внешние виды транзисторов в различных корпусах показаны на рис. 8а, б. Классификационные параметры полевых транзисторов U-MOS VIII-H со статусом МР приведены в таблице 2 (прочерки в графах таблицы означают отсутствие опубликованных спецификаций на соответствующие приборы на момент написания статьи). Рассмотрим особенности некоторых приборов, приведенных в таблицах 1 и 2, более подробно.

Таблица 1. Классификационные параметры полевых транзисторов DTMOS IV

Uси, В Iс, А RDS on макс, Ом Qз, нК trr, нс Ciss, пФ тип (корпус), начало массового производства
600 5,4 0,9 10,5   380 TK5P60W (TO-252), TK5Q60W (TO-253), TK5A60W (TO220SIS)/февр. 2013
6,2 0,75–0,82 12   390 TK6P60W (TO-252),TK6Q60W (TO-253), TK6A60W (TO220SIS)/февр. 2013
7 0,6 13   490 TK7P60W (TO-252),TK7Q60W (TO-253), TK7A60W (TO220SIS)/февр. 2013
8 0,5 16   530 TK8P60W (TO-252), TK8Q60W (TO-253), TK8A60W (TO220SIS)/февр. 2013
9,8 0,38–0,43 20   700 TK10P60W (TO-252), TK10Q60W (TO-253). TK10E60W (TO-220),
TK10A60W (TO220SIS)/февр. 2013
11,5 0,3–0,34 25   890 TK12P60W (TO-252), TK12Q60W (TO-253), TK12E60W (TO-220),
TK12A60W (TO220SIS), TK12J60W (TO-3 (N)/февр. 2013
15 0,19 38   1350 TK16G60W (TO-263), TK16E60W (TO-220), TK16A60W (TO220SIS),
TK16J60W (TO-3P(N), TK16N60W (TO-247)янв./февр. 2013
29 0,16 50   1700 TK20G60W (TO-263), TK20E60W (TO-220), TK20A60W (TO220SIS),
TK20J60W (TO-3P(N), TK20N60W (TO-247)/февр. 2013
30,9 0,088 86   3000 TK31E60W (TO-220), TK31A60W (TO220SIS), TK31J60W (TO-3P(N),
TK31N60W (TO-247)/2012, янв./февр. 2013
38,8 0,065 110   4100 TK39A60W (TO-220SIS), TK39J60W (TO-3P(N),
TK39N60W (TO-247)/2012, янв./февр. 2013
61,8 0,038 180   6500 TK62J60W (TO-3P(N), TK62 N60W (TO-247)/явн./февр. 2013
100 0,018 360   15000 TK100L60W (TO-3P(L)/февр. 2013
650 13,7 0,25 38   1350 TK14A65W (TO-220SIS)/март 2013
600 с быстрым диодом 7 0,6 13 50 490 TK7P60W5 (TO-252), TK7A60W5 (TO220SIS)/II кв. 2013
8 0,5 16 60 530 TK8P60W5 (TO-252), TK8A60W5 (TO220SIS)/II кв. 2013
15,8 0,19 43 100 1350 TK16G60W5 (TO-263), TK16E60W5 (TO-220),
TK16J60W5 (TO-3P(N), TK16N60W5 (TO-247)/II кв. 2013
15,8 0,19 43 100 1350 TK16A60W5 (TO220SIS)/2012
30,8 0,088 106 135 3000 TK31A60W5 (TO-3P(N)/2012, TK31N60W5 (TO-247)/II кв. 2013
38,8 0,065 135 150 4100 TK39J60W5 (TO-3P(N)/2012, TK39N60W5 (TO-247)/II2 кв. 2013
650 с быстрым диодом 13,7 0,25 40   1350 TK14A65W5 (TO220SIS)/II кв. 2013

Таблица 2. Классификационные параметры полевых транзисторов U-MOS VIII-H со статусом МР

Тип прибора Uси, В Iс, А Ррасс, Вт RDS on, МОм Qз, нК Ciss, пФ Корпус МР
TK30E06N1 60 30 53 12,2 16 1050 TO-220 2012
TK30A06N1 60 30 25 12,2 16 1050 TO-220SIS  
TK40E06N1 60 40 67 8,4 23 1700 TO-220  
TK40A06N1 60 40 30 8,4 23 1700 TO-220SIS  
TK58E06N1 60 58 110 4,4 46 3400 TO-220  
TK58A06N1 60 58 35 4,4 46 3400 TO-220SIS  
TK100E06N1 60 100 255 1,9 140 10500 TO-220  
TK100A06N1 60 100 45 2,2 140 10500 TO-220SIS  
TK35E08N1 80 35 72 10 25 1700 TO-220  
TK35A08N1 80 35 30 10 25 1700 TO-220SIS  
TK46E08N1 80 46 103 6,9 37 2500 TO-220  
TK46A08N1 80 46 35 6,9 37 2500 TO-220SIS  
TK72E08N1 80 72 192 3,6 81 5500 TO-220  
TK72A08N1 80 72 45 3,7 81 5500 TO-220SIS  
TK100E08N1 80 100 255 2,6 139 9000 TO-220  
TK100A08N1 80 100 45 2,6 130 9000 TO-220SIS  
TK22E10N1 100 22 72 11,5 28 1800 TO-220  
TK22A10N1 100 22 30 11,5 28 1800 TO-220SIS  
TK34E10N1 100 34 103 7,9 38 2600 TO-220  
TK34A10N1 100 34 35 7,9 38 2600 TO-220SIS  
TK40E10N1 100 40 126 6,8 23 3000 TO-220  
TK40A10N1 100 40 35 6,8 23 3000 TO-220SIS  
TK65E10N1 100 65 192 4 81 5400 TO-220  
TK6TA10N1 100 65 45 4 28 5400 TO-220SIS  
TK100E10N1 100 100 255 2,8 140 8800 TO-220  
TK100A10N1 100 100 45 3,1 140 8800 TO-220SIS  
TK32E12N1 120 32 98 11 34 2000 TO-220 март 2013
TK32A12N1 120 32 30 11 34 2000 TO-220SIS  
TK42E12N1 120 42 140 7,8 52 3100 TO-220  
TK42A12N1 120 42 35 7,8 52 3100 TO-220SIS  
TK56E12N1 120 56 168 5,8 69 4200 TO-220 2012
TK56A12N1 120 56 45 6,2 69 4200 TO-220SIS  
TK72E12N1 120 72 192 3,6 130 8100 TO-220  
TK72A12N1 120 72 49 3,7 130 8100 TO-220SIS  
TPN11006NL 60 - - 9,6 - 1500 TSON Advance февраль 2013
TPN22006NH 60 9 18 18 12 690   2012
TPN14006NH 60 14 30 11,4 15 910   2012
TPN7R506NH 60 26 42 6 22 1410   январь 2013
TPN30008NH 80 9,6 27 25 11 710   2012
TPN13008NH 80 18 42 10,8 18 1230   январь 2013
TPN3300ANH 100 9,4 27 28 11 680   2012
TPN1600ANH 100 17 42 13 19 1230    
TPH14006NH 60 14 32 11 16 1000 SOP Advance  
TPH7R506NH 60 22 45 6,1 31 1785    
TPH5R906NH 60 28 57 4,8 38 2340    
TPH4R606NH 60 32 63 3,8 58 3050    
TPH2R306NH 60 60 78 1,9 72 4700   январь 2013
TPH12008NH 80 24 48 10,1 22 1490   2012
TPH8R008NH 80 34 61 6,6 35 2300    
TPH4R008NH 80 60 78 3,3 59 4100   январь 2013
TPH1400ANH 100 14 48 11,3 22 1440   2012
TPH8R80ANH 100 32 61 7,4 33 2180    
TPH4R50ANH 100 60 78 3,7 58 4090   январь 2013
TK100G06N1 60 - - 1,6 - 3500 TO-220SM февраль 2013
TK100G08N1 80     2,3   2100    
TK65G10N1 100     3,8   950    
TK100G10N1 100     2,6   1500    
TK72G12N1 120     3,4   1200    
TPN11003NL 30     9   630 TSON Advance апрель 2013
TPN8R903NL 30     7,4   770    
TPH11003NL 30     9   630 SOP Advance  
TPH8R903NL 30     7,4   770    
TPH6R003NL 30     5,4   1280    
TPHR9003NL 30     0,77   6440   март 2013

 Корпуса приборов
Рис. 8. Корпуса приборов

Приборы DTMOS IV

 Корпус D2PAK
Рис. 9. Корпус D2PAK

TK20G60W (Datasheet 2013 г.) предназначен для применения в импульсных преобразователях напряжения и выполнен в корпусе D2PAK с неизолированным выводом стока (рис. 9). Основные особенности и параметры транзистора (за исключением приведенных в таблице 1):

  • Низкое сопротивление открытого канала: типовое значение RDS on = 0,13 Ом, однако его величина существенно зависит от температуры кристалла и тока стока. На рис. 10 приведена зависимость RDS on от температуры окружающей среды при различных токах стока.
     Зависимости Rds on транзистора TK20G60W от температуры
    Рис. 10. Зависимости Rds on транзистора TK20G60W от температуры
  • Пониженное пороговое напряжение затвора Vth — 2,7–3,7 В. Входная характеристика прибора при Uси = 10 В приведена на рис. 11.
     Входная характеристика прибора TK20G60W
    Рис. 11. Входная характеристика прибора TK20G60W
  • Мощность рассеяния Pрасс при Ткорп = +25 °С — 165 Вт, максимальный импульсный ток стока 80 А.
  • Максимальная температура кристалла — 150 °С.
  • Тепловое сопротивление канал-корпус Rth (ch-c) — 0,757 °С/Вт.
  • Сопротивление затвора Rз (при отключенном стоке на частоте 1 МГц) — 1,5 Ом.
  • Динамические характеристики (схема измерения приведена на рис. 12):
    – длительность фронта tr — 25 нс;
    – длительность спада tf — 6 нс;
    – время включения ton — 50 нс;
    – время выключения toff — 100 нс;
    – скорость нарастания выходного напряжения dV/dt — не менее 50 В/нс.
     Схема измерения параметров
    Рис. 12. Схема измерения параметров
  • Параметры внутреннего (обратного) диода:
    – прямое напряжение Uд (VDS f) при Ic = 20 А — –1,7 В;
    – время восстановления обратного сопротивления trr — 290 нс (при Ic = 10 А, –dIси/dt = 50 А/мкс);
    – пиковый прямой ток Iд пик (пиковый обратный ток стока Idrp) — 23 А.

TK39A60W/TK39J60W (2012 г.) — приборы в изолированном корпусе TO220SIS/в корпусе TO-3P (N) с неизолированным выводом стока. Основные параметры:

  • Зависимости сопротивления открытого канала транзисторов от температуры окружающей среды при различных токах стока приведены на рис. 13.
     Зависимости Rds on транзисторов TK39A60W
    Рис. 13. Зависимости Rds on транзисторов TK39A60W, TK39J60W от температуры
  • Ррасс — 50 Вт/270 Вт, Ic имп — 155 А, Rth (ch-c) — 2,5/0,463 °С/Вт, Rз — 2 Ом.
  • Динамические характеристики: tr = 50 нс, tf = 9 нс, ton = 80 нс, toff = 200 нс, dV/dt не менее 50 В/нс.
  • Параметры обратного диода: Uд = –1,7 В, trr = 450 нс, Iд пик = 21 А.

Как видно из приведенных данных, при одинаковых параметрах приборы в изолированном корпусе обеспечивают значительно меньшую мощность рассеяния.

TK62N60W (TO-247)/TK62J60W (TO-3P (N) (Datasheet 2013 г.) — приборы в корпусах с неизолированными выводами стока. Основные параметры:

  • Ррасс — 400 Вт, Ic имп — 247 А, Rth (ch-c) — 0,313 °С/Вт, Rз — 2 Ом.
  • Динамические характеристики: tr = 58 нс, tf = 15 нс, ton = 115 нс, toff = 310 нс, dV/dt не менее 50 В/нс.
  • Параметры обратного диода: Uд = –1,7 В, trr = 500 нс, Iд пик – 25 А.

TK100L60W (2012 г.) — прибор в корпусе TO-3P (L) с неизолированным выводом стока. Его основные параметры:

  • Ррасс — 797 Вт, Ic имп – 400 А, Rth (ch-c) — 0,157 °C/Вт, Rз — 1,8 Ом.
  • Динамические характеристики: tr = 130 нс, tf = 125 нс, ton = 230 нс, toff = 690 нс, dV/dt не менее 50 В/нс.
  • Параметры обратного диода: Uд = 1,7 В, trr = 580 нс, Iд пик – 30 А.

Приборы U-MOS VIII-H

 Корпус TSON Advance
Рис. 14. Корпус TSON Advance

TPN30008NH/TPN13008NH (2012 г.) — приборы предназначены для применения в DC/DC-преобразователях, импульсных источниках питания и драйверах двигателей. Они выполнены в корпусе TSON Advance (рис. 14). Основные особенности и параметры транзистора (за исключением приведенных в таблице 2):

  • малые размеры и толщина корпуса (3,3×3,3×0,85 мм);
  • высокое быстродействие (ton/toff — 11/14 нс);
  • малый заряд затвора — общий заряд Qз = 11/18 нК, заряд переключения Qsw = 4,1/6,7 нК при Uс = 40 В, Iс = 9,6/18 А, Uзи = 10 В;
  • малая величина сопротивления открытого канала и его относительная независимость от тока стока, зависимости RDS on от температуры окружающей среды транзистора TPN30008NH при различных токах стока приведены на рис. 15;
     Зависимости Rds on транзистора TPN30008NH от температуры
    Рис. 15. Зависимости Rds on транзистора TPN30008NH от температуры
  • малый ток утечки Idss — не более 10 мкА при Uси = 10 В;
  • импульсный ток стока 47/98 А (tимп = 1 мс), тепловое сопротивление Rth (ch-c) — 4,62/2,97 °С/Вт, сопротивление затвора Rз = 0,6/0,9 Ом;
  • динамические характеристики: tr = 3,8/4,5 нс, tf = 3,6/5 нс, ton = 11/14 нс, toff = 14/18 нс;
  • параметры обратного диода: Uд = –1,2 В, Iд пик = 47/98 А.

 Корпус SOP Advance
Рис. 16. Корпус SOP Advance

TPH4R008NH/TPH4R50ANH (2012 г.) — приборы в корпусах SOP Advance (рис. 16), предназначенные для тех же областей применения, что и рассмотренные выше транзисторы. Основные параметры приборов:

  • габариты корпуса 5×5×0,95 мм;
  • параметры затвора: Qз = 59/58 нК, Qsw = 18/22 нК, Rз = 1,2/1 Ом;
  • зависимости RDS on транзистора TPH4R008NH от температуры окружающий среды при различных токах стока приведены на рис. 17 (аналогичные зависимости для TPH4R50ANH близки к показанным на рис. 18);
     Зависимости Rds on транзистора TPH4R008NH
    Рис. 17. Зависимости Rds on транзистора TPH4R008NH


     Области безопасной работы
    Рис. 18. Области безопасной работы
  • Iс имп — 200 А, Rth (ch-c) — 1,6 °С/Вт;
  • динамические характеристики: tr = 8,6/9,6 нс, tf = 12/13 нс, ton = 25 нс, toff = 52 нс;
  • параметры обратного диода: Uд = –1,2 В, Iд пик = 200 А.

TK100A06N1/TK100E10N1 (2012 г.) — приборы в корпусах TO220SIS/ТО-220, предназначенные для применения в импульсных источниках питания. Основные параметры приборов:

  • Ic имп — 584/434 А (tи = 1 мс), Rth (ch-c) — 2,77/0,49 °С/Вт;
  • параметры затвора: Qз = 140 нК, Qsw = 56 нК, Rз = 3/2,6 Ом;
  • динамические характеристики: tr = 67/32 нс, tf = 64/45 нс, ton = 110/59 нс, toff = 180/140 нс;
  • параметры обратного диода: Uд = –1,2 В, Iд пик = 584/434 А.

Разработка ИП и выбор силовых элементов

К современным тенденциям при конструировании импульсных источников питания относятся (ИП):

  • Снижение потерь и повышение эффективности, которое достигается использованием синхронных выпрямителей, уменьшением RDS on и увеличением быстродействия транзисторов, увеличением пикового тока обратных диодов и уменьшением прямого падения напряжения.
  • Увеличение частот коммутации — переход от ШИМ-регуляторов к резонансным и преобразователям с чередующимся режимом (Interleaved Switching). Режим с чередованием фаз вместо традиционного параллельного имеет ряд преимуществ, в том числе снижение пульсаций тока, позволяющее уменьшить габариты фильтра.
  • Уменьшение габаритов и толщины — распределение ИП в конструкциях приборов (модульный дизайн); использование усовершенствованных корпусов (WCSP, BGA).
  • Снижение уровня шумов и гармоник — использование активных фильтров, микросхем контроллеров коэффициента мощности.
  • Улучшение нагрузочных характеристик — параллельное включение ИП, цифровое управление, улучшение высокочастотных параметров.
  • Интеллектуальные системы — схемы «горячего» отключения (Hot Swap), МОП-транзисторы с логическими входами, ORing MOSFET (приборы для работы в силовых схемах «ИЛИ»).

Одной из актуальных задач, возникающих при разработке различных ИП, является оптимальный выбор силовых элементов. Представляют интерес рекомендации инженеров Toshiba по методам определения «рейтинговых» параметров полевых МОП-транзисторов. К рейтинговым параметрам, превышение которых недопустимо ни при каких условиях, относятся: максимальное напряжение «сток–исток», максимальное напряжение «затвор–исток», токовый рейтинг, максимальная температура канала, рейтинговая мощность рассеяния, область безопасной работы, ограничение допустимых параметров (Derating).

Различают четыре метода определения максимального напряжения «сток–исток» транзисторов: Vdss (Uси в таблицах 1, 2) — измеренное напряженея пробоя при соединении затвора и истока; Vdsx — с отрицательным напряжением на затворе (для N-канальных транзисторов при Uзи = –3 В); Vdsr — при соединении затвора и истока через резистор; Vdso — с отключенным затвором. Для современных типов транзисторов (кроме Trench MOS) напряжения Vdss, Vdsx, Vdsr приблизительно одинаковы, для транзисторов с вертикальным каналом («тренч») — Vdss ≥ Vdsx.

Максимальное напряжение «затвор–исток» Vgss определяется электрической прочностью оксидной пленки, отделяющей затвор от канала транзистора, и измеряется при соединении стока и истока.

К токовым параметрам транзисторов относятся: Id (в таблицах 1, 2 — Iс) — максимальный ток стока при температуре корпуса транзистора +25 °С (транзистор должен быть установлен на теплоотвод, при этом температура канала транзистора не должна превышать +150 °С); Idp (в тексте Ic имп) — максимальный импульсный ток стока при длительности импульса 1 мс (Ткорп не более +150 °С); Idrp (в тексте Iд пик) — максимальный импульсный прямой ток внутреннего диода (обратный импульсный ток стока).

Мощность рассеяния на стоке транзистора определяется соотношением Pd = Id × Uds, допустимая мощность рассеяния зависит от эффективности отвода тепла от транзистора, температуры окружающей среды, теплового сопротивления и максимально допустимой температуры канала. Максимальная мощность рассеяния определяется также выражением Pd макс = (Тch максТо)/Rth, где Тch макс — максимально допустимая температура канала, То — текущая температура корпуса (Тс) или окружающей среды (Та), Rth — тепловое сопротивление «канал–корпус» (Rth ch-c) или «канал–окружающая среда» (Rth ch-a).

Область безопасной работы (SOA) определяется взаимозависимостью тока и напряжения стока транзисторов. На рис. 18 показаны области безопасной работы прибора TPN30008NH. SOA описывает прямосмещенные характеристики прибора; нарастающий наклон характеристики, обозначенный пунктиром, отражает постоянное сопротивление RDS on; спадающий наклон характеристик — постоянную мощность. При низких напряжениях транзистор не может обеспечить номинальный ток из-за наличия сопротивления RDS on. Горизонтальные части характеристик отражают постоянный и импульсный максимальные токи через транзистор. Участки характеристик с отрицательным наклоном отражают постоянную и импульсную мощность транзистора.

Рекомендованные ограничения параметров: максимальное напряжение и ток стока — не более 80% от максимальных значений (таблицы 1, 2); рассеиваемая мощность — не более 50%; рабочая температура канала — не более 70%. Подробные рекомендации по расчету схем на полевых транзисторах и их выбору приведены в информационных материалах компании [4].

Литература

  1. http://www.semicon.toshiba.co.jp/eng/
  2. http://www.semicon.toshiba.co.jp/eng/product/transistor/selection/mos/interview.html
  3. http://tosharp.cn/ckfinder/userfiles/files/DATASHEET/toshiba/(for%20Customer)TOSHIBA_Power-Device%20News%20Jan.2013.pdf
  4. http://www.semicon.toshiba.co.jp/eng/support/document/application_note/index.html


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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