Новые MOSFET от Infineon Technologies

Как итог, теперь в категорию силовых приборов Infineon входят следующие продукты:

• MOSFET — силовые и автомобильные приборы;
• IGBT — дискретные корпусированные приборы, кристаллы на пластинах (IGBT Bare Dies), модули, сборки (Stacks & IGBT Assemblies), интеллектуальные модули, модули автомобильного назначения, отладочные платы и блоки;
• интеллектуальные ключи верхнего и нижнего плеча, включая запатентованные продукты ISOFACE, HITFET, TEMPFET;
• интегральные силовые узлы DrBlade, DrMOS;
• стабилизаторы напряжения, включая AC/DC интегральные узлы CoolSET;
• DC/DC-конвертеры.

В каталогах объединенной компании 2015 г. представлена широкая номенклатура силовых MOSFET малой, средней и большой мощности, выполненных в традиционных и перспективных корпусах. Данные о продукции представлены на отдельных сайтах Infineon и IR [4, 5].

Продукты на основе нитрида галлия

Активное развитие технологий на основе нитрида галлия IR начала с запуском программы GaNpowerIR в 2008 г., целью которой было создание технологии производства коммерческих полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия с помощью процессов, совместимых с производством кремниевых КМОП-микросхем. Программой ставилась задача создания к 2011 г. AlGaN-GaN-транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) на кремниевых подложках с блокирующим напряжением 600 В, на долю которых приходится до 40% силовых полупроводников на напряжения 20–1200 В, и эта задача была выполнена [6].

Значимым результатом работы команды разработчиков стало создание на 150-мм эпитаксиальных пластинах GaN на кремнии мощных приборов для проведения поставщиками комплексного оборудования дополнительной независимой экспертизы и определения дальнейших работ по их совершенствованию. Приборы представляли собой каскодные схемы, состоящие из GaN HEMT, работающего в режиме обеднения, и низковольтного кремниевого МОП-транзистора (рис. 1). Исток кремниевого транзистора соединен с затвором GaN-транзистора, а исток последнего — со стоком Si-транзистора. При таком включении на затвор–исток GaN-транзистора подается напряжение, обратное напряжению кремниевого транзистора, а работой каскодного переключателя можно управлять стандартными для кремниевых переключателей способами, например логическими уровнями до 5 В.

Рис. 1. Каскодная схема

Рассмотренная каскодная схема отличается высокой скоростью переключения (порядка 50 В/нс), что обеспечивает малые потери при высокой частоте коммутации. Кремниевый полевой транзистор в этой схеме можно заменить низковольтным кремниевым диодом, а получаемый в результате выпрямитель по характеристикам подобен SiC-диоду, и его можно использовать в качестве вторичного выпрямителя импульсных источников питания. На рис. 2 показаны зависимости эффективности ключевых каскадов источника питания с выходной мощностью 200 Вт на GaN с кремниевым выпрямителем и на полевом транзисторе с суперпереходом от выходной мощности при частоте коммутации 400 кГц с учетом потерь индуктивных элементов схемы [7].

Рис. 2. Характеристики эффективности

Разработанная компанией IR технология производства приборов GaN на кремнии получила созвучное программе исследований название GaNpowIR. Приборы, выполненные по этой технологии, характеризуются значительно меньшими значениями сопротивления открытого канала R_{ds on} и параметра R_{ds on}×Q_g. К 2014 году компании удалось снизить этот параметр с примерно 30 мОм∙мК у приборов первого поколения (Gen 1,1) GaNpowIR до менее 5 мОм∙мК у приборов второго поколения (Gen 2.2) [8].

Силовые высоковольтные MOSFET Infineon с суперпереходом

Технология MOSFET с суперпереходом (Super Junction, SJ) впервые была применена Infineon в 1998 г. при производстве полевых высоковольтных транзисторов первого поколения CoolMOS S5 и на протяжении последующих лет постоянно усовершенствовалась. Уже в первых поколениях MOSFET с суперпереходом удалось снизить удельное сопротивление открытого канала в сравнении с приборами, выполненными по традиционным технологиям, с 39 до 25 мОм/см², а заряд затвора — на 60–65%. В период с 2001 г. по настоящее время было выпущено более десятка линеек высоковольтных полевых транзисторов с суперпереходом:

• 2001 г. — CoolMOS C3 на напряжения 500/600/650/800 В;
• 2004 г. — CoolMOS CFD на 600 В;
• 2005 г. — CoolMOS CP на 500/600 В;
• 2008 г. — CoolMOS C3 на 900 В;
• 2009 г. — CoolMOS C6/E6 на 600 В;
• 2011 г. — CoolMOS C6/Е6, CFD2 на 650 В;
• 2012 г. — CoolMOS CE на 500 В, CoolMOS P6 на 600 В;
• 2013 г. — CoolMOS CFDA, С7 на 650 В;
• 2014 г. — CoolMOS CE на 600/650 В, CoolMOS C3 на 800/900 В, CoolMOS СЕ на 800 В;
• 2015 г. — CoolMOS C7 на 600 В.

В состав каждой линейки входят десятки типов приборов. Такое разнообразие номенклатуры вызвано тем обстоятельством, что для конкретных приложений силовой электроники, в которых будут использоваться транзисторы, для получения оптимальных результатов необходимы определенные совокупности электрических параметров, конструктивных и стоимостных характеристик приборов. Однако современные технологии производства MOSFET не обеспечивают реализацию одновременно наилучших значений ключевых параметров, таких как R_{ds on}, Q_g, энергия потерь, быстродействие и др. Комплексный подход к выбору MOSFET с суперпереходом приведен в [9].

Линейка приборов CoolMOS C7

Рис. 3. Прибор линейки 600 В CoolMOS C7

19 мая текущего года Infineon объявила о запуске в производство линейки полевых транзисторов серии 600 В CoolMOS C7 в корпусах ТО-220, ТО-247 и ТО-247 с четырьмя выводами (рис. 3), выпуск приборов в корпусах TO-220FP, DPAK, D²PAK запланирован на III кв. 2015 г. Потери выключения (E_oss) новых приборов снижены на 50% по сравнению с приборами серии CoolMOS CP, а удельное сопротивление открытого канала транзисторов (Area-specific on resistance) впервые в отрасли снизилось до значения 1 Ом на мм² и менее.

Ключевые параметры транзисторов линейки вплотную приблизились к параметрам, обеспечиваемым приборами на основе GaN [10]. Приборы 600 В CoolMOS C7 относятся к последнему (седьмому) поколению высоковольтных MOSFET с суперпереходом и являются усовершенствованной версией линейки приборов 650 В CoolMOS C7 (рис. 4). В состав линейки входят восемь типов MOSFET с R_{ds on} 180–185, 99–104 и 40 мОм, номинальные значения этого параметра определяются числом элементарных полевых транзисторов, размещенных на одном кристалле и включенных параллельно. Классификационные параметры приборов приведены в таблице. В таблицу включены приборы линейки 650 В CoolMOS C7 только в корпусах ТО-247, но компания выпускает их также в корпусах DPAK, D²PAK, ThinPAK, TO-220, TO-220 FullPAK, TO-247 4 pin.

Рис. 4. Приборы линейки 650 В CoolMOS C7

Усовершенствования приборов линейки 600 В/C7, в сравнении с 650 В/C7, состоят в следующем: применены обратные защитные диоды со значительно лучшими характеристиками быстродействия и электрической прочности (см. таблицу); снижено удельное сопротивление открытого канала с 10 до 8,5 мОм на см² и, соответственно, R_ds on приблизительно на 10% в соответствующих группах приборов; за счет снижения зарядов затвора Q_g, Q_gd, и входной емкости C_iss увеличена скорость переключения dV/dt.

Примечание: Для линейки 600 В: значение максимального напряжения сток-исток U_{си макс} действительно при температуре кристалла T_j = +150 °С (блокирующее напряжение V_{(BR) DSS} не менее 600 В); приведено типовое значение заряда затвора Q_g; значения максимального постоянного тока стока приведены при температуре кристалла до +150 °С, импульсного — при температуре корпуса +25 °С; E_oss — потери выключения при напряжении на стоке 400 В; значения C_вх/С_вых приведены при U_си = 400 В, U_зи = 0 В, f = 250 кГц; di/dt — максимальная скорость коммутации диода.

Рассматриваемая линейка приборов разработана с целью повышения эффективности и снижения совокупной стоимости владения для преобразователей напряжения различных топологий: ККМ (PFC), резонансных (LLC), прямоходовых двухтранзисторных (Two Transistor Forward, TTF) и др. (с жестким режимом переключения). Снижение потерь переключения за счет улучшения таких параметров, как заряд затвора Q_g и выходная емкость C_oss, позволяет использовать более высокие частоты переключения. Например, увеличение частоты переключения с 65 до 130 кГц обеспечивает значительное уменьшение размеров и стоимости индуктивных элементов блоков питания без снижения эффективности. Двукратное снижение потерь выключения (в сравнении с приборами линейки CoolMOS CP) приближает их к GaN-приборам.

Основные области применения приборов линейки: телекоммуникационная аппаратура, источники питания серверов и компьютеров высокого класса (High-End PC Power), преобразователи для солнечных электростанций. Приборы в корпусах ТО247-4 отличаются наличием отвода Кельвина. Рассмотрим особенности и параметры прибора IPZ60R040C7 с наименьшим R_{ds on} (кроме приведенных в таблице):

• повышенная экономичность блоков питания при использовании жесткой (ККМ, ШИМ) и мягкой коммутации (High Performance LLC);
• высокая электрическая прочность при скорости нарастания напряжения MOSFET 120 В/нс, которая обеспечивает лидерство приборов в высокоэффективных приложениях с высокой частотой коммутации;
• лучшее в классе соотношение R_{ds on}/корпус, обеспечивающее высокую системную эффективность приложений;
• соответствие промышленным стандартам JEDEC (J-STD20, JESTD22);
• увеличенная плотность мощности приложений при малых размерах корпуса;
• четырехвыводный корпус с отводом Кельвина, позволяющий повысить эффективность преобразователей при полной нагрузке на частоте коммутации 100 кГц на 0,5% по сравнению с трехвыводным эквивалентом прибора (IPW60R040C7);
• мощность рассеяния 227 Вт при температуре корпуса +25 °С;
• диапазон рабочих температур –55…+150 °С;
• максимальный постоянный ток обратного диода 50 А, импульсный — 211 А при Т_с = +25 °С;
• тепловое сопротивление кристалл–корпус не более 0,55 °С/Вт;
• сопротивление открытого канала R_{ds on} 0,077 Ом при Т_j = +150 °С, I_c = 25 А и не более 0,034 Ом при Т_j = +25 °С.

Рис. 5. Зависимости Rds on от тока стока при различных Uзи

Сопротивление R_{ds on} приборов существенно зависит от напряжения на затворе и тока стока, а также от температуры. На рис. 5 приведены зависимости этого параметра транзистора от тока стока при различных напряжениях U_зи и Т = +125 °С, на рис. 6 — зависимости R_{ds on} от температуры при I_c = 24,9 А, U_зи = 10 В.

Рис. 6. Зависимости Rds on от температуры

Устройства на основе приборов линейки 600 В CoolMOS C7

ККМ-преобразователь Platinum Server Design

В мае текущего года компания представила демонстрационный ККМ-преобразователь (БП) Platinum Server Design мощностью 800 Вт с частотой коммутации 130 кГц (рис. 7).

Рис. 7. ККМ-преобразователь Platinum Server Design

Рис. 8. Структурные схемы ККМ-преобразователя

БП представляет собой импульсный преобразователь напряжения с корректором коэффициента мощности (ККМ), функционирующий в трех режимах: непрерывной проводимости (CCM), критической проводимости (CrCM) и прерывистой проводимости (DCM). Укрупненная структурная схема БП приведена на рис. 8, диаграммы функционирования в различных режимах — на рис. 9.

Рис. 9. Диаграммы различных режимов преобразования

В БП применены современные полупроводниковые приборы и микросхемы Infineon в сочетании с высоко­качественными электронными компонентами, в том числе:

• MOSFET из линейки 600 В CoolMOS C7 (IPP60R180C7);
• SiC-диод Шоттки 5-го поколения из линейки 650 В thinQ;
• неизолированный драйвер затвора 2EDN7524F семейства EiceDRIVER;
• контроллер ККМ IEC3PCS01G;
• контроллер управления XMC1300 (компьютерная карта/CPU Card на основе микроконтроллеров XMC1300-T038, XMC4200_QFN48);
• контроллер обратноходового преобразователя ICE2QR4780Z;
• дроссель ККМ на основе сердечника CH270060 компании Chang Sung Corporation ∅27 мм (рис. 10);
• конденсатор выходного фильтра 470 мкФ × 450 В фирмы Rubycon.

Рис. 10. Дроссель СН270060

БП обеспечивает работу от сетей переменного тока 47–64 Гц напряжением 90–265 В, на выходе прибора формируется постоянное напряжение 380 В, максимальная выходная мощность — 800 Вт, максимальный выходной ток — 2,1 А. Блок отличается высокой эффективностью: не менее 94% при выходной мощности более 100 Вт. Зависимости эффективности БП от выходной мощности при различных сетевых напряжениях приведены на рис. 11. Как показывают диаграммы, при входном напряжении 230 В эффективность БП при выходной мощности более 200 Вт превышает 97%.

Рис. 11. Эффективность ККМ-преобразователя

Полумостовой LLC-преобразователь

Также в мае 2015 г. Infineon представила отладочную (демонстрационную) плату полумостового резонансного (LLC) DC/DC-преобразователя напряжения EVAL_600W_12V_LLC_C7 мощностью 600 Вт и выходным напряжением 12 В. Данное решение нацелено на оказание помощи разработчикам эффективных и гибких высоковольтных устройств HV DC/DC для серверных источников питания класса 80Plus Titanium Standard. При изменении входного постоянного напряжения в пределах 350–410 В преобразователь обеспечивает выходной ток до 50 А, при этом нестабильность выходного напряжения не превышает +0,1/–0,3 В при изменении тока в нагрузке от 0 до 90%.

Рис. 12. Структурная схема LLC-преобразователя

Принцип функционирования полумостового LLC-преобразователя поясняется структурной схемой, приведенной на рис. 12. В качестве ключей А и В полумоста используются MOSFET IPP60R180C7 рассматриваемой линейки 600 В CoolMOS C7; управление резонансной схемой осуществляется с помощью частотной модуляции. В качестве синхронных выпрямителей используются полевые транзисторы BSC010N04LS семейства OptiMOS (по три прибора в плече). Внешний вид и состав отладочной платы LLC-преобразователя показан на рис. 13.

Рис. 13. LLC-преобразователь:
1 — радиатор охлаждения с MOSFET IPP60R180C7;
2 — конденсатор резонансной схемы;
3 — микросхема LLC-контроллера ICE2HS01G;
4 — катушка индуктивности резонансной схемы;
5 — главный DC/DC-трансформатор;
6 — плата обратноходового контроллера на микросхеме ICE2QR2280Z;
7 — радиатор охлаждения синхронного выпрямителя;
8 — выходной конденсатор фильтра;
9 — выходная катушка индуктивности фильтра;
10 — полумостовой драйвер затвора IC2EDN7524F;
11 — транзисторы синхронного выпрямителя BSC010N04LS

Преобразователь отличается экстремально высокой эффективностью — более 97% при I_вых более 10 А. На рис. 14 приведена зависимость его эффективности от выходного тока в сравнении с требованиями стандарта 80Plus Titanium.

Рис. 14. Эффективность LLC-преобразователя

Приборы линеек 650/600 В CoolMOS С7, по сравнению с ранее разработанными, характеризуются существенно меньшим удельным сопротивлением открытого канала за счет более плотного размещения элементарных транзисторных ячеек на кристалле (рис. 15).

Рис. 15. Структуры кристаллов

На рис. 16 приведены соответствующие зависимости этого параметра от блокирующего напряжения. На рис. 17 показаны зависимости dV/dt сопоставимых по группам R_{ds on} приборов 600/650 C7, CP от сопротивления затворов R_g при токе стока 7,95 А.

Рис. 16. Удельное сопротивление Rds on различных приборов

Рис. 17. Скорость переключения приборов

Применение новых транзисторов в импульсных преобразователях различных топологий позволяет повысить эффективность систем первичного и вторичного питания до 95–97% при нагрузках 10–100%.

Рейнхард Плосс (Reinhard Ploss),
CEO Infineon Technologies

После поглощения IR компанией Infineon Technologies генеральным директором объединенного концерна стал Рейнхард Плосс (Reinhard Ploss), до этого с 2012 г. занимавший пост главного исполнительного директора (CEO) Infineon. Президентом американских подразделений назначен Роберт Ле Форт (Robert LeFort). По данным от 5 мая текущего года, объединенная компания располагает 33 дизайн-центрами и 20 заводами по всему миру, число сотрудников объединения превысило 35 000, технологии базируются на 22 800 патентах и патентных заявках. Компания лидирует на рынке силовых полупроводниковых приборов: ее доля 17,8% (Mitsubishi — 7,2%, Toshiba — 6%, STMicro — 5,8%, Fairchild — 5,5%) [3].

В результате слияния линейка мощных высоковольтных приборов Infineon дополнилась низковольтными приборами средней и малой мощности IR. Кроме того, увеличивается загрузка завода Infineon в Дрездене, обладающего технологией производства силовых приборов на 300-мм пластинах. Немаловажно, что теперь Infineon получает доступ к передовым технологиям IR в области силовых приборов на основе нитрида галлия, имеющим хорошие перспективы для применения в энергетике [2].