Силовые диоды, транзисторы и модули компании Microsemi

Введение

Силовая электроника — интенсивно развивающаяся область науки и техники. Компоненты, разрабатываемые в этом сегменте промышленности, находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности — от добывающих отраслей до транспорта и связи. Приборы силовой электроники представляют собой мощные электронные устройства, работающие, как правило, в импульсных режимах и позволяющие изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Наблюдаемый в последние годы на мировом рынке повышенный спрос на изделия силовой электроники и соответствующая активность в области их разработок и производства обусловлены тем, что именно они во многих случаях являются основой для создания современного высокотехнологичного оборудования [1].

Модернизация силовых полупроводниковых устройств идет по пути повышения энергоэффективности (обеспечения минимальных потерь мощности), быстродействия и надежности с одновременным уменьшением массо-габаритных характеристик при максимально возможной мощности. Прогресс в современной силовой электронике тесно связан со значительным улучшением параметров мощных, практически «идеальных» ключей на базе полевых транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), быстродействующих диодов и силовых модулей. В основном это достигается совершенствованием технологий изготовления и использованием широкозонных материалов (карбида кремния, нитрида галлия) при создании мощных приборов с требуемыми характеристиками.

В области напряжений 200–1000 В рынок уверенно завоевывают MOSFET, модули и интеллектуальные силовые ИС на их основе, вытесняя биполярные транзисторы. Это, в первую очередь, связано с отличными эксплуатационными характеристиками MOSFET: высокой скоростью коммутации, низкими статическими и динамическими потерями, малой мощностью управления, высокой стойкостью к перегрузкам. Область применения MOSFET — преобразователи частоты и напряжения мощностью до 10 кВт с частотами преобразования до единиц мегагерц.

Большую популярность приобретают IGBT. Удачное сочетание их свойств и MOSFET (малая мощность управления, высокая скорость коммутации, прямоугольная область безопасной работы, способность работать параллельно без выравнивающих элементов, малое падение напряжения в открытом состоянии, высокое предельное напряжение) делает эти транзисторы также практически «идеальными» силовыми ключами. Параметры IGBT постоянно улучшаются производителями (прямое падение напряжения с 4 В у первого поколения уменьшилось в настоящее время до 1,2 В у четвертого поколения, аналогично предельная частота переключения увеличилась с 5 до 150 кГц и более). Самая распространенная область применения IGBT — схемы инверторов напряжения, включая многоуровневые, с рабочими напряжениями до нескольких киловольт и токами порядка 100 А. Данные преобразователи используются в электроприводах различного назначения, в мощных системах генерирования электрической энергии постоянного и переменного тока, в мощных преобразователях автомобилей, а также в различных видах сварочного оборудования.

По мнению зарубежных аналитиков, к числу наиболее перспективных также относится производство силовых модулей. Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств (конвертеров, регуляторов и др.) используются интегрированные силовые ключи, объединенные по типовым, наиболее распространенным схемам преобразования параметров электрической энергии. На основе последовательного и параллельного соединений транзисторов создаются модули ключей с двунаправленной проводимостью, работающие в цепях постоянного и переменного тока. Введение дополнительных схем защиты от воздействия высоких напряжений и температур повышает надежность и длительность эксплуатации. Из основных областей применения можно отметить гибридные системы электропитания (ветроэлектроэнергетика, солнечная электроэнергетика), сварочные агрегаты, устройства регулирования электроприводов постоянного и переменного тока, источники бесперебойного питания промышленного оборудования.

Microsemi Corporation, как разработчик высоконадежных дискретных компонентов для космической, военной и авиационной областей, большое внимание уделяет улучшению рабочих параметров транзисторов и их предельных характеристик. Продукция силовой электроники компании применяется в различных системах электропитания: вычислительных комплексах, базовых станциях беспроводной связи, промышленных системах, медицинских приборах, лазерах, в оборудовании для производства полупровод­ников, сварочных аппаратах и системах электропитания для аэрокосмической отрасли [2]. Рассмотрим далее основные группы изделий, уделяя особое внимание новинкам [3].

Силовые диоды

Компанией Microsemi выпускается пять различных семейств кремниевых диодов с быстрым восстановлением (FRED), а также ряд диодов на основе SiC. Диоды данных серий отличаются высокой скоростью переключения и мягким восстановлением, обеспечивающим минимизацию потерь при коммутации. Они разработаны для высококачественных решений, работающих в широком диапазоне напряжений, и удовлетворяют самым жестким требованиям, предъявляемым к мощным высоковольтным устройствам. Выпускаются одиночные и сдвоенные диоды на напряжения 200–1700 В и токи 15–100 А, их основные рабочие характеристики представлены в таблице 1.

Серия DL характеризуется низким значением прямого напряжения (V_F) и ультрамягким восстановлением. Она позиционируется для выпрямительных и резонансных схем. Диоды D-серии, предназначенные для применения в импульсных источниках питания со средними частотами переключения, рассчитаны на напряжения 200, 300, 400, 600, 1000 и 1200 В. Используемая в производстве запатентованная технология платинового легирования понижает уровень токов утечки и улучшает надежность работы при повышенных температурах. Компоненты DQ-серии с рабочим напряжением 600, 1000 и 1200 В и широким диапазоном номинальных мощностей отличаются низким зарядом обратного восстановления (Q_RR) и используются в устройствах с высокой частотой коммутации. Высокоскоростные диоды серии DS предназначены для применения в высококачественных корректорах коэффициента мощности, где время обратного восстановления должно быть минимальным. Кремниевые диоды Шоттки, обозначаемые литерой S в шифре компонента, рассчитаны на напряжение 200 В. Благодаря своей конструкции они обладают малым напряжением V_F (менее 1 В) и низкими потерями при восстановлении. Малый разброс значений прямого напряжения упрощает параллельное соединение диодов. Корпуса с допустимой температурой эксплуатации +175 °С разработаны с использованием пассивации для повышения надежности в условиях повышенной влажности (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид корпусов силовых диодов компании Microsemi

В последнее время наблюдается повышенный интерес к диодам Шоттки на основе карбида кремния (SiC). Как известно, существенный вклад в потери источников электропитания вносит эффект обратного восстановления мощных высоковольтных диодов [4]. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радиопомех, что требует применения экранирования, увеличивающего массу и габариты устройства. Использование FRED позволяет лишь частично снизить влияние указанных проблем, оптимальным же решением является внедрение диодов Шоттки на основе карбида кремния (рис. 2).

Рис. 2. Заряд обратного восстановления диодов Microsemi различных типов

Ключевое преимущество SiC-диодов Шоттки от Microsemi заключается в их исключительных динамических характеристиках, основной причиной которых является отсутствие тока обратного восстановления. Вместо этого существует лишь незначительный ток, вызванный зарядом емкости перехода Q_С и не зависящий от скорости нарастания тока. В результате это приводит к уменьшению прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники [5].

Еще одно преимущество SiC-диодов над традиционными кремниевыми — высокая плотность мощности при очень малых размерах кристалла, получаемая благодаря трехкратному выигрышу по проводимости. Следствием этого является повышение КПД, особенно на малых нагрузках и высоких частотах переключения (более 500 кГц), а также уменьшение габаритов внешних индуктивных компонентов (например, в ККМ дроссель повышающего преобразователя является одним из основных компонентов, определяющих массо-габаритные характеристики). Также использование в качестве материала основы SiC с более высоким напряжением пробоя позволило значительно увеличить уровни рабочих напряжений.

SiC-диоды компании Microsemi серий SCE и SCD с диапазоном максимальных рабочих токов 10–30 А и максимальными обратными напряжениями 650, 1200 и 1700 В выпускаются в популярных малогабаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа (таблица 2). Компоненты могут успешно применяться в импульсных источниках питания — инверторах, корректорах коэффициента мощности и другом высоконадежном силовом оборудовании различного назначения.

Из основных характеристик следует отметить малый ток утечки (типовое значение 10 мкА), полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC, а также низкое тепловое сопротивление переход–корпус, не превышающее для ряда моделей 0,7 °С/Вт. Падение напряжения имеет положительный температурный коэффициент, что значительно упрощает использование диодов при их параллельном включении, так как в этом случае не требуются согласующие резисторы для выравнивания их токов.

Силовые транзисторы

Биполярные транзисторы с изолированным затвором компании Microsemi предназначены для высококачественных решений в широком диапазоне напряжений и мощностей. Диапазон частот работы транзисторов — от нескольких килогерц в низкочастотных применениях до 150 кГц в импульсных источниках питания с высокой удельной мощностью (рис. 3).

Рис. 3. Рекомендуемые рабочие диапазоны частот IGBT Microsemi

Microsemi предлагает несколько семейств IGBT, изготовленных по трем технологиям: Punch-Through (PT), Non-Punch-Through (NPT) и FieldStop (FS). Все транзисторы выпускаются в типовых корпусах для монтажа в отверстия (TO-220, TO-247, T-MAX, TO-264 или SOT-227). Наряду со стандартными устройствами, с целью упрощения разработки, доступны модели со встроенными антипараллельными диодами DQ- или SiC-серий. В таблице 3 приведены отличительные особенности различных технологий изготовления IGBT-транзисторов.

Примечание: E_off — импульсная энергия выключения

Семейство силовых транзисторов Power MOS 7PT, рассчитанное на максимальное рабочее напряжение 1200 В, в спецификации обозначается литерами GU или GP. Низкий заряд затвора компонентов данной серии (порядка 100 нКл) приводит к уменьшению мощности, необходимой для переключения, и, соответственно, к повышению быстродействия. Малый хвостовой ток сводит к минимуму потери на переключение и позволяет достичь высоких рабочих частот. К типовым применениям относятся преобразователи солнечной энергии, сварочные аппараты, зарядные устройства и индукционные нагреватели, а также высококачественные импульсные источники питания промышленного оборудования.

IGBT Field Stop с номинальными напряжениями V_CES, равными 600 или 1200 В, обозначаются литерами GN в наименовании компонента. Разработанные для использования в режимах жесткого и мягкого переключения на частотах до 30 кГц, они обладают малыми потерями на электропроводность, что является полезным свойством для низкочастотных применений, в которых наиболее значимыми являются как раз потери проводимости. Параллельное включение устройств не вызывает затруднений благодаря малому разбросу напряжения коллектор–эмиттер и положительному температурному коэффициенту напряжения. Среди других значимых характеристик можно отметить устойчивость к коротким замыканиям.

Семейство силовых транзисторов Power MOS 8 включает в себя как IGBT, так и полевые транзисторы. IGBT-устройства производятся на основе технологий PT и NPT. В транзисторах данной серии применяется полосковая алюминиевая структура затвора с очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением (доли Ом), гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. С учетом крайне малого заряда затвора достигается более высокая скорость переключения и очень низкие динамические потери, при этом отсутствует необходимость использования мощного драйвера. Полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре. Оптимизированные значения входной емкости и емкости Миллера ограничивают максимальную скорость нарастания напряжения и тока в момент переключения и способствуют «чистой» коммутации с меньшим уровнем электромагнитного излучения. Низкие значения R_DS(on)/V_CE(on) обеспечивают малые потери проводимости, высокий КПД и меньший уровень тепловых потерь.

Полевые высоковольтные (500–1200 В) N-канальные транзисторы семейства Power MOS 8 подразделяются на MOSFET и FREDFET. Они оптимизированы для работы на высоких частотах в режимах жесткого и мягкого переключения. Основные применения — корректоры коэффициента мощности, установки индукционного нагрева и электродуговой сварки, источники питания промышленного оборудования и многие другие устройства мощностью до 500 Вт. MOSFET имеют внутренний антипараллельный диод, который пропускает обратный ток. Он обладает медленным восстановлением, что приводит к снижению надежности в схемах с переключением в момент нулевого напряжения (ZVS).

Транзисторы FREDFET (Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor) — это MOSFET со встроенным диодом с минимальным временем обратного восстановления (t_rr), обеспечивающим высокую устойчивость к dv/dt и высокую надежность в мостовых схемах. Некоторым минусом является незначительно большее сопротивление R_DS(on) при рабочих напряжениях свыше 800 В по сравнению с MOSFET с аналогичными характеристиками (табл. 4). Бюджетные полевые транзисторы семейства CoolMOS производятся по технологии фирмы Infineon Technologies. Предназначенные для работы в импульсных источниках питания, они изготавливаются в различных стандартных корпусах.

Новые высоковольтные SiC MOSFET-устройства разработаны на основе запатентованной технологии с целью повышения энергоэффективности ключевых схем. Их отличительная особенность и в то же время основное преимущество — значительно более низкое удельное сопротивление исток–сток в открытом состоянии (R_DS(on)) по сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами.

Компоненты отличаются высоким напряжением пробоя (до 1700 В), а максимальный ток стока достигает величины 70 А. Малый заряд затвора, а также его низкое сопротивление минимизируют потери энергии на переключение и обеспечивают отличные динамические характеристики. Коммутация нагрузки происходит под действием управляющего напряжения затвора V_gs, лежащего в пределах от –10 до +25 В.

Из других особенностей можно отметить низкий уровень собственного электромагнитного шума и устойчивость к коротким замыканиям. Типовые применения включают в себя импульсные источники питания с различными топологиями силовых преобразователей напряжения (повышающие, понижающие, обратноходовые, несимметричные мосты), корректоры коэффициента мощности, схемы управления электроприводами, инверторы и т. д.

Силовые модули

Компания Microsemi выпускает широкую номенклатуру стандартных силовых полупроводниковых модулей, а также специализированных изделий, разрабатываемых по индивидуальному заказу. Переход к созданию высокоинтегрированных модулей позволяет за счет максимально плотной компоновки элементов значительно уменьшить габариты конечного устройства, следствием чего является существенное уменьшение влияния паразитных активных и реактивных элементов на параметры устройства [6]. Это, в свою очередь, обеспечивает безопасную работу на высоких частотах, повышает КПД и снижает уровень возможных электромагнитных помех, упрощая требования к внешним фильтрам. Поскольку в процессе производства модуля все внутренние соединения задаются маской, достигается исключительная повторяемость термических и электрических параметров — как для серии, так и для партии в целом.

Серия стандартных силовых модулей Microsemi с широким выбором конструктивно-технологического исполнения включает устройства всех самых распространенных конфигураций ключевых схем (табл. 5). Их производство основано на использовании кристаллов IGBT, MOSFET, а также силовых диодов (FRED и SiC), выпускаемых компанией.

Особого внимания заслуживают компоненты, выполненные на основе SiC-технологии изготовления. Характеристики SiC-модулей слабо подвержены влиянию изменений температур экcплуатации вследствие более высокой температуры перехода (+175 °С). Это обеспечивает долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации. Всю предлагаемую SiC-линейку можно разделить на диодные и транзисторные модули. Первая группа состоит из двух отдельных диодов, включаемых как в одном направлении, так и встречно, либо из четырех диодов, образующих выпрямительный мост (табл. 6).

Все вышесказанное о преимуществах SiC-диодов, а именно — превосходные рабочие характеристики на повышенных частотах эксплуатации, низкий уровень шума и потерь при переключениях, в полной мере относится и к диодным модулям. Объединение в одном малогабаритном корпусе нескольких элементов позволяет сократить занимаемое на печатной плате место. Изолированные корпуса SOT-227 и SP1с возможностью непосредственного монтажа радиатора обладают напряжением изоляции вывод–корпус 2500 и 4000 В соответственно.

Рис. 4. Внешний вид транзисторных SiC-модулей компании Microsemi

Вторая группа представляет собой транзисторные модули, состоящие либо полностью из SiC-элементов, либо с применением таковых для улучшения ключевых характеристик разрабатываемого устройства. Силовые SiC-модули для промышленного диапазона температур выполнены по различным электрическим конфигурациям и предлагаются в низкопрофильных корпусах, внешний вид которых показан на рис. 4. В большинстве из них используется подложка из нитрида алюминия, которая обеспечивает наличие электрической изоляции схемы модуля от теплоотвода и улучшает теплопередачу к его системе охлаждения, при этом некоторые модули содержат интегрированные датчики температуры, позволяющие обеспечить дополнительную защиту от превышения максимальной температуры эксплуатации. Предельное рабочее напряжение достигает величины 1700 В. В таблице 7 приведены основные технические характеристики и доступные электрические конфигурации предлагаемых устройств (новинки отмечены цветом).

Примечание: * — встроенный датчик температуры с отрицательным температурным коэффициентом.

Ключевыми особенностями изделий являются высокоскоростная коммутация с низкими потерями, малая входная емкость, незначительные требования к схемам драйверов и минимальная паразитная индуктивность, что в сумме позволяет создавать высокоэффективные силовые устройства. Основные сферы применения включают импульсные источники питания, высоковольтные ККМ и умножители напряжения, мощные инверторы, преобразователи для солнечных батарей, промышленные электроприводы и другое силовое оборудование.

Заключение

Компания Microsemi предлагает широкую линейку высоковольтных дискретных и модульных компонентов в различном корпусном исполнении, отвечающую современным требованиям рынка силовой электроники. Наработанные в компании технологии производства, высокий уровень стандартизации, максимальная гибкость и адаптируемость выпускаемой продукции к различным применениям дают возможность выбора оптимального решения по соотношению цена/производительность.