Номенклатура, параметры и применение интеллектуальных силовых модулей компании Fairchild

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.

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).

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.

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: U_си/I_с — 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 T_j — –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: U_си/I_с — 30 В/40 А; R_ds on — 1,8–2,6 мОм; E_as — 200 мДж; Q_g — 54 нК; t_r/t_f — 6,8/5,7 нс; диапазон рабочих температур T_j — –55…+150 °C.

  

  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: U_ds/I_ds 650 В/80 А; U_ce (sat) — 1,8–2 В; t_r/t_f — 44/30 нс; E_ts (общая энергия потерь) — 1,65 мДж; корпус ТО-247; T_j — -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%); Р_вых источников питания с радиатором — до 450 Вт, без радиатора — до 200 Вт; эффективность более 94%; R_ds on — 0,38 Ом; U_ds/I_ds — 600 В/11 А; T_j — –40…+130 °C; корпус 9-SIP с размерами 26,2×10,7×3,4 мм. Типовая схема включения контроллера приведена на рис. 4.

  

  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: U_вх — 3–24 В; U_вых — 0,8 В-0,8U_вх; I_вых — 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.

  

  Рис. 5. Типовая схема включения понижающего преобразователя FAN2106

• Продукт года (2008) от компании EnGenius Network (engeniustech.com) — FSBB30CH60 — интеллектуальный («умный») силовой модуль SPM^TM (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; U_сеs/I_c — 600 В/30 А (для каждого IGBT).

  

  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.

Рис. 7. Семейство модулей SPM

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.

Рис. 8. Внешний вид 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.

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.

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/dt, dI/dt);
• отдельные выводы истоков нижних MOSFET для подключения датчиков тока;
• управление драйверами HVIC/LVIC с логическими уровнями КМОП/ТТЛ 3,3/5 В.

Рис. 12. Внешний вид 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: t_on — 0,7 мкс; t_c (on) — 0,2 мкс; t_off — 0,75 мкс; t_c (off)  — 0,25 мкс; t_rr — 015 мкс (при V_pn = 300 В V_cc = V_bs = 15 В, I_c = 5 А, T_j = +25 °C).

Рис. 14. Переходные характеристики модуля FNA40560

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

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/