Сравнение новейших HiPerFET MOSFETs с семейством Super Junction MOSFETs

№ 6’2013
PDF версия
С выпуском третьего семейства P3 HiPerFET силовых MOSFET компания IXYS установила новую планку параметров этих устройств для средних и высоких частот. Применение новых транзисторов позволит создавать продукты, которые с высокой надежностью и эффективностью способны решить самые современные задачи преобразования высокого напряжения.

Новое поколение транзисторов P3 HiPerFET компании IXYS отличается оптимальной комбинацией низкого сопротивления канала в открытом состоянии, малым зарядом затвора и наличием быстрого встроенного диода для снижения Qrr при улучшенной устойчивости к скорости изменения напряжения dV/dt при закрывании. Последняя особенность позволяет существенно улучшить характеристики надежности в высоковольтных приложениях.

Кроме того, специалистам компании удалось существенно снизить тепловое сопротивление Rthjc, поднять максимальный уровень рассеиваемой мощности и получить высокую устойчивость к лавинному режиму Eas. Инновации в разработке и технологии производства принесли плоды в виде существенно меньших потерь проводимости и коммутации, которые оказались сопоставимы с потерями транзисторов семейства Super Junction MOSFETs, представленными сегодня на рынке [1].

Цель данной статьи — исследование и сравнение характеристик переключения транзисторов P3 HiPerFET и Super Junction MOSFETs в одинаковых условиях. Для этого были выбраны три транзистора SJ-MOSFETs: IPW60R041C6, FCH76N60NF и STW88N65M5, которые сравнивались с транзистором HiPerFET IXFX80N60P3, поскольку данные устройства обладают схожими характеристиками. В таблице 1 приводится сравнение основных параметров.

Таблица 1. Основные характеристики рассматриваемых транзисторов
Параметр Super Junction (SJ) power MOSFETs P3-series MOSFET
IPW60R041C6 STW88N65M5 FCH76N60NF IXFX80N60P3
VDS, B 600 650 600 600
ID, А 77 84 73 80
IDM, А  272 336 218 200
RDS(on) (max), Ом 0,041 0,029 0,038 0,070
PD, Вт 481 450 543 1300
QG, нКл 290 204 230 190
TJM, °С +150
IA, А 13 15 24 40
EAS, мДж 1954 2000 7381 2000

В соответствии с таблицей 1, IXFX80N60P3 имеет лучшие параметры QG, PD, IA и trr по сравнению с SJ-транзисторами. На рис. 1 показан график напряжения затвора и заряда затвора для IXFX80N60P3 (красный), IPW60R041C6 (синий), STW88N65M5 (голубой) и FCH76N60F (зеленый) при одинаковых условиях.

График напряжения на затворе и заряд затвора

Рис. 1. График напряжения на затворе и заряд затвора:
IXFX80N60P3 (красный),
IPW60R041C6 (синий),
STW88N65M5 (голубой) и FCH76N60F (зеленый)

IXFX80N60P3 показывает существенно лучшую характеристику заряда затвора по сравнению с SJ MOSFETs. Преимущества применения IXFX80N60P3 хорошо видны по его характеристике на графике. Приложения с высокими частотами коммутации, наподобие источников бесперебойного питания, будут существенно выигрывать от применения IXFX80N60P3 за счет более низкого заряда затвора QG и малого заряда «затвор-сток» QGD. Более низкие значения QG и QGD позволяют разработчику существенно улучшить параметры эффективности преобразования за счет более высоких частот коммутации, при этом потребуются меньшие по габаритам пассивные компоненты и уменьшится площадь печатной платы. Кроме того, низкий QG позволит применить драйвер управления меньшей мощности (мощность драйвера управления = QG × VGS × fsw). За счет этого можно будет дополнительно снизить стоимость решения, применив менее дорогой драйвер управления [2].

 

Исследование поведения встроенного диода

На рис. 2 показана схема коммутации с индуктивной нагрузкой, которую применяет компания IXYS для исследования параметров встроенного диода MOSFET. Затвор и исток тестируемого транзистора Q1 закорочены. Транзистор Q2 формирует сдвоенные импульсы для испытания встроенного диода транзистора Q1. Импульсы тока через встроенный диод транзистора Q1 протекают после закрытия транзистора Q2. После чего следующий импульс управления включает транзистор Q2, и встроенный диод Q1 должен восстановить обратное сопротивление до снижения напряжения на транзисторе Q2. Во время восстановления обратного сопротивления ток через встроенный диод течет параллельно току нагрузки в транзистор Q2. Большая скорость нарастания тока во время восстановления диода может привести к большим выбросам напряжения (L × di/dt) за счет влияния паразитных индуктивностей корпуса и выводов. На рис. 3 приведены осциллограммы тестовой схемы при температуре +75 °С для рассматриваемых транзисторов. Больший ток обратного восстановления диода и более длительное время его восстановления приводят к более высоким потерям.

Схема испытания встроенного диода MOSFET

Рис. 2. Схема испытания встроенного диода MOSFET. Тестовая последовательность: VCC = 100 В, ID = 20 A, VGS = 10 В, L = 100 мкГн, di/dt = 200 A/нс

Осциллограммы восстановления встроенного диода при +75 °C

Рис. 3. Осциллограммы восстановления встроенного диода при +75 °C:
a) IXFX80N60P;
б) IPW60R041C6;
в) FCH76N60F;
г) STW88N65M5

В таблице 2 приведены измеренные значения параметров восстановления встроенного диода рассматриваемых транзисторов при температуре +75 °С. IXFX80N60P3 занял второе место по скорости обратного восстановления и минимальному пиковому току. В то же время, выбросы напряжения на FCH76N60NF достигают 320 В, на STW88N65M5 — более 350 В, на IPW60R041C6 — порядка 140 В, и существенно меньшее значение показывает IXFX80N60P3 (рис. 3а). В сравнении с IPW60R041C6 мы можем наблюдать, что время восстановления IXFX80N60P3 составляет всего 37% от времени восстановления IPW60R041C6. При этом пиковый обратный ток IXFX80N60P3 меньше на 30%, а суммарная энергия потерь на 80% меньше, чем у IPW60R041C6.

Таблица 2. Параметры восстановления обратного диода при +75 °С
Наименование trr, нс Irrm, A Энергия восстановления Еrr, Дж
IXFX80N60P 200 24 2,18×10-4
IPW60R041C6 540 80 8,72×10-4
FCH76N60NF 165 30 1,65×10-4
STW88N65M5 330 52 2,74×10-4

Таким образом, особенности характеристик встроенного диода новых P3 HiPerFET MOSFET позволяют применять их без дополнительных высоковольтных защитных диодов, снижая таким образом стоимость и уменьшая площадь печатной платы по сравнению с аналогичными решениями на Super Junction MOSFET.

 

Характеристики выключения и включения транзисторов

Для более полного понимания особенностей новых P3 HiPerFET MOSFET рассмотрим более подробно характеристики их включения и выключения в сравнении с Super Junction MOSFET. На рис. 4 приведена тестовая схема полумостовой конфигурации с индуктивной нагрузкой. Затвор и исток верхнего транзистора Q1 закорочены. Нижний транзистор Q2 является испытуемым и включен с резистором в цепи затвора. Параметры схемы:

Формула
Тестовая схема для определения параметров включения и выключения MOSFET

Рис. 4. Тестовая схема для определения параметров включения и выключения MOSFET

Осциллограммы выключения транзистора при температуре +75 °С показаны на рис. 5. В данной схеме производятся измерения энергии потерь Eoff, время спада тока стока tfi, время нарастания напряжения стока trv и скорость изменения тока di/dt. Итоговые параметры измерения сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Полученные значения параметров выключения рассматриваемых MOSFET
Наименование Eoff, мкДж tfi, нс (trv, нс di/dt, А/нс
IXFX80N60P3 322 51 24 0,260
IPW60R041C6 449 87 46 0,284
FCH76N60NF 350 68 28 0,210
STW88N65M5 420 58 27 0,177
Осциллограммы выключения MOSFET при +75 °С

Рис. 5. Осциллограммы выключения MOSFET при +75 °С:
a) IXFX80N60P3;
б) IPW60R041C6;
в) FCH76N60NF;
г) STW88N65M5

В соответствии с данными таблицы 3, в одинаковых условиях закрывания энергия Eoff имеет минимальное значение для транзистора IXFX80N60P3. Времена спада тока и нарастания напряжения IXFX80N60P3 при этом также лучше, чем у Super Junction MOSFET. Таким образом, IXFX80N60P3 HiPerFET MOSFET опережает Super Junction MOSFET при закрывании. Этот же результат отражается и в скорости изменения тока di/dt [4].

На рис. 6 показаны осциллограммы включения транзисторов при температуре +75 °С. Измеряемыми параметрами являются энергия включения Eon, время нарастания тока стока tri, скорость спада напряжения на стоке tfv и скорость изменения тока di/dt. Итоговые значения сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Полученные значения параметров включения рассматриваемых MOSFET
Наименование Пиковый ток, А Eon, мДж tri, нс tfv, нс di/dt, А/нс trr, нс IRRM, A
IXFX80N60P3 80 1,14 30 146 0,260 174 60
IPW60R041C6 89 1,39 32 149 0,284 212 68
FCH76N60NF 79 1,43 32 158 0,210 155 59
STW88N65M5 108 2,45 43 215 0,177 228 87
Осциллограммы включения при +75 °C: a) IXFX80N60P3; б) IPW60R041C6; в) FCH76N60NF; г) STW88N65M5

Рис. 6. Осциллограммы включения при +75 °C:
a) IXFX80N60P3;
б) IPW60R041C6;
в) FCH76N60NF;
г) STW88N65M5

В соответствии с таблицей 4, при одинаковых условиях включения энергия потерь IXFX80N60P3 меньше, чем у транзисторов Super Junction. При этом время нарастания тока и время спада напряжения для IXFX80N60P3 существенно лучше, чем у других транзисторов. Таким образом, новые P3 HiPerFET MOSFET превосходят большинство Super Junction MOSFET по скорости переключения и энергии потерь коммутации. Данный результат отражается также в скорости изменения тока di/dt [4].

Встроенный диод MOSFET играет большую роль при включении транзистора. Пиковый ток при включении напрямую связан со скоростью изменения тока стока и параметрами встроенного диода. Пиковый ток в тестовой схеме составляет 80 А для IXFX80N60P3, 89 А для IPW60R041C6, 79 А для FCH76N60NF и 108 А для STW88N65M5.

 

Частотные свойства при 100 кГц и 50% заполнении (duty cycle)

В таблице 5 приведены параметры энергии обратного восстановления, энергии включения и выключения на индуктивной нагрузке, а также потери проводимости на транзисторе и встроенном диоде при +75 °С. Значения энергий приведены в джоулях. Значения потерь проводимости посчитаны исходя из параметров, приведенных в технической документации на устройство (Vf  и Rdson) при заданной температуре и величинах Id = 20 А и коэффициенте заполнения импульса 50%.

Таблица 5. Потери транзисторов при +75 °С [Дж]
Наименование Потери встроенного диода Потери коммутации на индуктивной нагрузке Потери проводимости при коэффициенте заполнения 50% Общие потери на один
  Err Eoff Eon   MOSFET период
IPW60R041C6 8,72×10-4 4,49×10-4 1,39×10-3 2,9×10-3 1,1 ×10-4 2,9×10-3
FCH76N60NF 1,65×10-4 3,5×10-4 1,43×10-3 2,11 ×10-3 8,6×10-5 2,11×10-3
IXFX80N60P3 2,18х10-4 3,22×10-4 1,14×10-3 1,91×10-3 1,6×10-4 1,91×10-3
STW88N65M5 2,74×10-4 4,2×10-4 2,45×10-3 3,29×10-3 6×10-5 3,29×10-3

Эффективность преобразования энергии главным образом зависит от потерь на коммутирующих элементах. При этом они состоят из потерь коммутации и потерь проводимости:

Формула

В таблице 6 приведены итоговые значения потерь мощности с учетом потерь коммутации и потерь проводимости рассматриваемых транзисторов при +75 °С. Параметры транзистора IXFX80N60P3 выделены синим цветом. Суммарные потери на IXFX80N60P3 составят всего 192 Вт, притом что потери IPW60R041C в том же режиме составят 289 Вт, FCH76N60NF — 210 Вт, а STW88N65M5 — 329 Вт.

Таблица 6. Потери на рассматриваемых транзисторах при +75 °С
Наименование Потери коммутации Psw, Вт   Потери проводимости Pcon, Вт   Суммарные потери Ptotal, Вт
Diode Loss MOSFET Loss Total Switching Loss Diode loss MOSFET Loss Total Cond. Loss
IPW60R041C6 87,2 183,9 271,1 7,5 11,0 18,5 289,6
FCH76N60NF 16,5 178,0 194,5 7,5 8,6 16,1 210,6
IXFX80N60P3 21,8 146,2 168,0 7,0 16,0 23,0 191,0
STW88N65M5 27,4 287,0 314,4 9,0 6,0 15,0 329,4

* * *

В статье приведен полный анализ преимуществ и недостатков новых P3 HiPerFET MOSFET по сравнению с Super Junction MOSFET. Анализ характеристик коммутации P3 HiPerFET MOSFET показал их преимущества по сравнению с представленными на рынке транзисторами Super Junction.

В ряде приложений, таких как управление двигателями, балласт ламп, драйверы лазерных диодов, DC/DC-преобразователи, заряд аккумуляторных батарей и робототехника, с помощью транзисторов P3 HiPerFET могут быть получены существенные преимущества как по эффективности преобразования, так и по стоимости готового решения по сравнению с транзисторами Super Junction.

Самым главным ограничением эффективного применения MOSFET остается сопротивление открытого канала, которое приводит к увеличению потерь мощности и росту температуры. Новые транзисторы P3 HiPerFET MOSFET предлагают оптимальное соотношение потерь проводимости и потерь коммутации по сравнению с другими представленными на рынке продуктами [3].

Литература
  1. Jayant Baliga B. Fundamental of Power Semi. Devices // Springer Science + Business Media LLC. NY. 2008.
  2. Sattar A. Power MOSFET Basics. IXAN0061. IXYS Corporation. 2007.
  3. Vinod Kumar Khanna. IGBT Theory and Design. John Wiley & Sons. 2003.
  4. Galluzzo R., Melito M., Musumeci S. and Saggio M. A New High-Voltage Power MOSFET for Power Conversion Applications // IEEE. Stradale Primosole, 121-Catania, Italy. 2000.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *