Новые CoolMOS-устройства от Infineon задают новые стандарты
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 [3, 4]. 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.
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.
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.
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.
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.
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).
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%.
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.
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.
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.
Gри 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.
- Saro L., Dierberger K., Redl R. Highvoltage MOSFET behavior in soft-switching converters: analysis and reliability improvements // Proc. INTELEC. San Francisco, Oct. 1998.
- 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.
- 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.
- Grütz A. Jahrbuch Elektrotechnik ‘98. VDE-Verlag. 1997.
- Burra R. K., Shenai K. CoolMOS Integral Diode: A Simple Analytical Reverse Recovery Model // PESC’2003. IEEE 34th Annual.