Новая серия высоковольтных 650-В транзисторов SuperFET III Fairchild Semiconductor для построения высокоэффективных источников питания

Такие характеристики были получены благодаря развитию существующей технологии SuperFET, которая позволила наряду с прочим уменьшить размер кристалла транзистора. Например, в корпусе Т0220 удалось разместить кристалл с сопротивлением 60 мОм, а в корпусе ТО247 – 20 мОм (это в 2 раза лучше в сравнении с предыдущим поколением). Также, помимо R_dson, были улучшены и динамические характеристики (Q_g– заряд затвора, емкости). По сравнению с тем, что был у серии предыдущего поколения – SuperFET2, заряд затвора стал в 2-3 раза меньше, благодаря чему повысилась частота преобразования. В совокупности улучшение параметров Q_g и R_dson (уменьшение динамических и статических потерь) позволяет увеличить энергетическую плотность источников питания до 60 Вт/куб. дюйм и даже до 2 раз выше, чем было у предыдущего поколения, в том числе и благодаря возрастанию частоты преобразования. Только два производителя в мире, включая Fairchild Semiconductor (часть ON Semiconductor), в наши дни обеспечивают такой технологический уровень.

В настоящее время большинство мощных преобразователей работают в режимах мягкого переключения (топологии LLC резонансная или фазо-сдвигающая схема). В данных схемах особенно важны такие параметры, как скорость собственного паразитного диода и допустимый (пиковый) ток. При малых нагрузках, переходных режимах, режиме короткого замыкания LLC-преобразователь переходит в режим жесткого переключения, что показано на рис. 1 (режим КЗ). В таких режимах в контуре циркулируют достаточно большие токи, связанные с высоким Q_rr (зарядом обратного восстановления) диода (на осциллограмме выделено малиновым цветом). В этих режимах очень важны следующие параметры: Q_rr, время обратного восстановления, допустимый (импульсный) прямой ток собственного диода. Приборы серии SuperFET III обеспечивают данные требования к диоду. Так, для прибора FCH023N65S3 приведены максимальный и импульсный ток 75 и 300 А соответственно, а также допустимое значение dV/dt, равное 20 В/нс. Для его ближайшего конкурента значения токов не приведены, а значение dV/dt в 4-5 раз ниже. В результате транзисторы серии SuperFET III успешно работают в схемах с мягким переключением, в отличие от других аналогичных приборов, которые выходят из строя.

Рис. 1. Процесс переключения полумостового LLC-преобразователя

Также очень важный параметр – энергия лавинного пробоя. Он обеспечивает надежное функционирование прибора в нештатных ситуациях (кратковременные перегрузки, высоковольтные выбросы и др.). У приборов серии SuperFET III значение E_as (энергия одиночного импульса) в 4 раза выше, чем у ближайшего конкурента. Это обеспечивает высокую надежность проектируемого устройства.

В связи с постоянным повышением частоты преобразования и скорости переключения встает проблема снижения влияния паразитных параметров – индуктивностей разварки кристаллов и индуктивности выводов. Был разработан четырехвыводный корпус ТО247 с контактом Кельвина. Такой корпус, содержащий два вывода истока – управляющий и силовой, сейчас является общепринятым стандартом, и его выпускают все ведущие производители. На рис. 2 показаны для сравнения стандартный и четырехвыводный корпуса.

Рис. 2. Сравнение процесса переключения для корпуса ТО247 с контактом Кельвина и для ТО247 без него

Как видно на рис. 2, применение контакта Кельвина позволяет практически устранить паразитный «звон» при переключении и существенно снизить динамические потери транзистора. В процессе переключения в трехвыводном корпусе участвует паразитная индуктивность в истоке (индуктивность разварки и выводов), на которой может появиться достаточно высокое напряжение, равное L×dI/dt, которое прикладывается с обратной полярностью к сигналу управления, вследствие чего транзистор переходит в активный режим, рассеивая дополнительную энергию в виде тепла.

На рис. 3 представлены подробные осциллограммы, помогающие сравнить процессы переключения.

Рис. 3. Осциллограммы, позволяющие сравнить процессы переключения для корпуса ТО247 и ТО247 с контактом Кельвина

Поскольку требования к компактности и энергетической плотности постоянно возрастают, все большее распространение получают приборы в SMD-корпусах. Они не имеют выводов (значит, меньше паразитная индуктивность), требуют меньше места, позволяют отводить тепло на печатную плату и через изолирующую теплопроводную прокладку на корпус изделия. На рис. 4 представлен такой корпус Power88, также с контактом Кельвина.

Рис. 4. Эквивалентная схема (с паразитными индуктивностями) и корпус Power88

Серия SuperFET III, анонсированная в 2016 г., будет расширяться – в ближайшее время она пополнится новыми приборами. Суперпереходная технология совершенствуется с каждым поколением, благодаря чему модели новых серий по характеристикам будут приближаться к приборам на основе GaN и SiC.