Меньше, умнее и мощнее: использование 800-В транзисторов семейства CoolMOS P7 для разработки обратноходовых источников питания

Выгоды от этих рыночных тенденций очевидны. Меньший размер приводит к экономии пространства и делает конечные системы все более и более портативными. Энергосбережение, благодаря достижению более высокой эффективности и более разумного дизайна, помогает потребителям экономить деньги на счетах за электроэнергию. Также оно позволяет поддерживать более «экологичный» мир: так как в системе требуется меньше источников питания, следовательно, меньше загрязнений окружающей среды при их производстве и меньше отходов, когда дело доходит до их утилизации вследствие выработки ресурса и морального старения.

Рассматриваемые тенденции при проектировании импульсных источников питания (ИИП) ставят перед разработчиками новые задачи. Из-за растущих выходных мощностей и меньших форм-факторов, приводящих к более высокой удельной плотности мощности, инженеры должны тратить больше усилий на повышение эффективности (КПД) и управление в части отвода тепла от системы питания. В то же время требование по более длительному сроку службы заставляет специалистов для повышения надежности оптимизировать конструкцию ИИП уже на системном уровне.

Адаптеры и зарядные устройства, светодиодное освещение, блоки питания аудиоаппаратуры, вспомогательные блоки питания и блоки питания индустриального оборудования являются типичными маломощными представителями рынками ИИП, где обратноходовая топология (flyback) является наиболее распространенной. Фундаментальную роль в этой топологии играют высоковольтные МОП-транзисторы (в технической литературе известные как High-Voltage Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, HV MOSFET), а это значит, что поиск подходящего для этой цели МОП-транзистора имеет главенствующее значение для решения задач, связанных с текущими требованиями рынка ИИП.

Обратноходовой DC/DC-преобразователь

Рис. 1. Принцип работы (а) и упрощенная схема изолированного обратноходового преобразователя (б)

Особенность flyback-преобразователя заключается в том, что он не передает непосредственно входное напряжение во вторичную цепь, то есть на прямом ходу. Он преобразует входное напряжение в выходное путем накопления в течение времени включения ключа и сохранения энергии в сердечнике трансформатора, а передача его во вторичную цепь происходит уже во время выключения ключа. То есть передача энергии происходит во время обратного хода — отсюда и название. На рис. 1 показаны принцип работы и часть практической схемы такого преобразователя.

Когда ключ S₁ замкнут, то через первичную обмотку трансформатора Т₁, имеющую индуктивность L_prim, с нарастанием со скоростью V_IN/L_prim течет ток I_S1. В течение этого времени через вторичную обмотку трансформатора, имеющую индуктивность L_S, ток в нагрузку не поступает. В этот период времени ток нагрузки на вторичной стороне обеспечивается энергией, предварительно накопленной в конденсаторе С₁.

Когда ключ S₁ размыкается, то резкий спад магнитного поля в трансформаторе вызывает изменение полярности напряжения и, соответственно, тока первичной и вторичной обмоток. Энергия, запасенная в первичной обмотке трансформатора, теперь передается на вторичную обмотку. Напряжение на вторичной обмотке резко возрастает, и импульс тока, падая со скоростью V_OUT/I_S, поступает в нагрузку и заряжает конденсатор С₁. Диод D₁ здесь используется в качестве пикового выпрямителя. Такой принцип работы приводит к тому, что на стоке ключа (в рассматриваемом случае это МОП-транзистор) мы имеем форму напряжения, которая приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структура импульса напряжения на стоке закрытого ключа обратноходового преобразователя

Как можно видеть, при допустимом рабочем напряжении от питающей сети 230 В переменного тока на стоке транзистора мы имеем максимальное напряжение не 374 В, полученное в результате выпрямления максимального входного 268 В, и даже не 504 В, которое является суммой входного и выходного напряжений, а все 650 В, а то и более, что связано с особенностями функционирования такого преобразователя. За ограничение этого напряжения отвечают специальные ограничительные цепи. Их описание, детальная топология и методы стабилизации выходного напряжения приведены в соответствующей технической литературе. Мы же ограничимся вопросами касающимися МОП-транзистора, который, для обеспечения надежности и создания приемлемого технологического запаса по напряжению сток-исток V_DS, как мы видим, необходимо выбирать с рабочим напряжением не менее 700 В, а лучше с V_DS = 800 В.

Дополнительные факторы, которые необходимо учитывать при выборе высоковольтных МОП-транзисторов обратноходовых ИИП

Определение «правильный» МОП-транзистор применительно к обратноходовой топологии требует ее должного понимания на системном уровне, а также того, как используется такой транзистор в данном приложении. Современные обратноходовые ИИП разрабатываются с использованием ключей в виде высоковольтных МОП-транзисторов и рабочей частотой преобразования в диапазоне 40-100 кГц. Последнее связано с необходимостью уменьшить до допустимого уровень электромагнитных помех (ЭМП) и выполнить жесткие требования стандартов в части электромагнитной совместимости (ЭМС). Наличие ЭМП неизбежно и связано с особенностью функционирования преобразователя (см. рис. 2). Однако, с другой стороны, используются решения и с преобразованием на более высоких частотах, что вызвано стремлением уменьшить физические размеры. Это связано с тем, что более высокая рабочая частота позволяет использовать меньшие по номиналу и габаритам индуктивные компоненты (трансформаторы, дроссели и катушки индуктивности фильтров). Кроме того, увеличение КПД при малой нагрузке требует меньших потерь на переключение (коммутационных потерь), а высокая эффективность при полной нагрузке требует меньших потерь проводимости. Все сказанное выше взаимосвязано и часто требует определенных компромиссов.

Для уменьшения коммутационных потерь наиболее важными параметрами МОП-транзисторов являются заряд затвора Q_g и энергия, накопленная при включении E_oss. Параметр Q_g тесно связан с решением управляющего драйвера МОП-транзисторов, меньшее значение заряда затвора приводит к упрощению непосредственно самого драйвера и к снижению потерь при управлении. E_oss — это энергия, накопленная в выходной емкости МОП-транзистором, которую необходимо учитывать при его использовании и управлении, что тоже связано с управляющим драйвером и динамическими потерями. Кроме того, важным параметром является и сопротивление канала транзистора во включенном состоянии R_DS(on), которое определяет потери на проводимость и играет критическую роль в условиях полной нагрузки преобразователя.

Еще одна проблема — это устойчивость МОП-транзистора к воздействию статического электричества (в технической литературе — Electro Static Discharge, ESD), и это одна из областей, где выбору МОП-транзистора должно уделить самое пристальное внимание. Устойчивость одного из ключевых элементов ИИП к воздействию статического электричества помогает повысить выход годной продукции и уменьшить потери от рекламационного возврата изделий. Так что для обеспечения скорейшего выхода на рынок инженерами-разработчиками должны быть учтены надежность и легкость управления, а транзистор должен быть выбран с параметрами, максимально отвечающими требованиям проекта. Здесь, в части организации управления, также необходимо учитывать еще такой параметр, как пороговое напряжение включения МОП-транзистора — V_GS(th). Для этого должны быть рассмотрены следующие моменты: низкое значение V_GS(th) упрощает управление МОП-транзистором, а меньшее отклонение V_GS(th) от номинального значения дает разработчикам больше свободы при проектировании ИИП. (Необходимо также учитывать и то, что очень низкие значения V_GS(th) ухудшают помехоустойчивость ИИП, поэтому здесь требуется взвешенный подход и поиск разумных компромиссов. Транзисторы семейства продуктов CoolMOSTM P7 имеют лучшее в своем классе V_GS(th) = 3 В и самое низкое отклонение порогового напряжения ±0,5 В от номинального значения, что вполне достаточно для выполнения требований по помехоустойчивости применительно к ИИП обратноходовой топологии. — Прим. перев.)

800 В CoolMOS P7 — новый эталон эффективности и тепловых характеристик

Последняя версия 800-В транзисторов семейства продуктов CoolMOS P7 от компании Infineon устанавливает новый стандарт транзисторов технологии Super-Junction с рабочими напряжениями «сток-исток» 800 В и сочетает в себе лучшие в своем классе характеристики и простоту использования современного технического уровня. (Основная идея технологии Super-Junction, называемой иногда «суперпереход», заключается в том, что исток разбит на отдельные области, связанные металлическими переходниками, и обеспечивает повышение эффективности работы устройств, в особенности при малых токах нагрузки. — Прим. перев.)

Рис. 3. Сравнение по относительной эффективности (a) и уровню нагрева (б) для транзисторов, перечисленных в табл. 1. Условие испытания: входное напряжение 230 В переменного тока, испытуемая плата — 80 Вт, светодиодный драйвер в виде двухступенчатого обратноходового преобразователя. Оценка проводилась путем поочередной замены МОП-транзисторов

Как можно видеть на рис. 3, даже простая замена транзисторов из семейства продуктов CoolMOS C3 на транзисторы семейства CoolMOS P7 приводит к повышению КПД на 0,5% при малой нагрузке и повышению эффективности на 0,3% при полной нагрузке (см. рис. 1a). Такое улучшение КПД при малой нагрузке уменьшает потери холостого хода системы, а при полной нагрузке наблюдаемое улучшение эффективности приводит к более низкой температуре перехода МОП-транзистора, причем на целых 6 °C, что значительно сокращает накладные расходы для управления его тепловым режимом.

Для достижения высокой удельной плотности мощности, требуемой современным рынком, как правило, используют два способа.

Один из вариантов — использовать высоковольтный МОП-транзистор на высоких рабочих частотах переключения. Это обеспечивает лучшую эффективность, в то время как высокочастотное переключение позволяет системе использовать и меньшие индуктивные компоненты, что уменьшает габаритные размеры системы в целом. Благодаря своим уникальным свойствам использование транзистора семейства продуктов CoolMOS P7 позволяет реализовать такие решения со значительно меньшими коммутационными потерями.

Второй метод — использовать высоковольтный МОП-транзистор с меньшей площадью. Транзисторы семейства CoolMOS P7 также дают возможность реализации такого подхода, поскольку предлагаются в корпусах DPAK с еще более низким уровнем R_DS(on). Как показано на рис. 4, транзисторы семейства CoolMOS P7 в корпусах DPAK имеют R_DS(on) более 450, 360 и 280 мОм. При этом значение 280 мОм является лучшим в своем классе продуктов. Оно на 56% ниже, чем у ближайших конкурентов. Улучшенные продукты в корпусах DPAK дают возможность заказчикам экономить место, что позволяет не только увеличить удельную плотность мощности, но и снизить производственные расходы за счет использования полностью автоматических сборочных процессов. Последнее достигается при переходе от приборов, монтируемых в сквозные отверстия (так называемые through hole), к корпусам, поддерживающим технологию монтажа на поверхность (SMD).

Рис. 4. Обзор МОП-транзисторов в корпусах DPAK по уровню наименьшего значения RDS(on) для 800-В Super-Junction приборов

Одной из наиболее важных функций семейства продуктов CoolMOS P7 является встроенный стабилитрон, который снижает количество отказов, связанных с воздействием разрядов статического электричества. Использование такой защиты направлено на повышение качества и надежности. Стабилитрон интегрирован в приборы семейства CoolMOS P7 между затвором и истоком (рис. 5a), и его функция заключается в обеспечении защиты затвора от пробоя. Как показано на рис. 5б, во время воздействия статического электричества напряжение между затвором и истоком (VGS) ограничивается встроенным стабилитроном.

Рис. 5.
а) Внутренняя схема защиты продуктов семейства CoolMOS P7 от статического электричества;
б) увеличение части изображения в области между затвором и источником в соответствии с рис. a)

Путем использования при испытаниях на устойчивость к воздействиям статического электричества так называемой модели человеческого тела, имитирующей разряд при прикосновении человека (Human body model, HBM), было установлено, что транзисторы семейства CoolMOS P7 для транзисторов с R_DS(on) между 2 и 4,5 Ом относятся к приборам Класса 1С (1-2 кВ), а для транзисторов с R_DS(on) ниже 2 Ом — к приборам Класса 2 (2-4 кВ).

При использовании модели заряженного устройства (Charged Device Model, CDM) рассматриваемые транзисторы в части устойчивости к разрядам электростатического электричества относятся к Классу C3 (≥1 кВ). Эта функция защиты от статического электричества помогает уменьшить количество сбоев, связанных с воздействием разрядов электростатического электричества, во время сборки, что приводит к снижению производственных потерь. Это также, благодаря исключению подачи недопустимо высокого напряжения, которое может повредить изолирующий оксидный слой затвора, уменьшает вероятность поступления рекламаций с мест эксплуатации. Все это вместе повышает срок службы МОП-транзистора и исключает возможность использования такого МОП-транзистора, который потом откажет на месте эксплуатации. (Воздействие разрядов статического электричества опасно тем, что возникающие при этом дефекты не приводят к мгновенному выходу транзистора из строя, они, подобно частичным разрядам, накапливаются постепенно и приводят к отказу уже в условиях эксплуатации, часто через сотни часов наработки. — Прим. перев.)

Семейство приборов CoolMOS P7 с рабочим напряжением 800 В предлагает 12 вариантов исполнения по R_DS(on) от 4,5 Ом до 0,280 Ом, часть из которых будет доступна во второй половине 2017 г., в шести основных вариантах корпусов. Дополнительно к корпусу T0-220 FullPAK добавлен T0-220 FullPAK Narrow Lead, позволяющий устанавливать на плату выводной транзистор с минимальным зазором, что дает выигрыш по высоте в 1,56 мм. С такой тонкой детализацией в части R_DS(on) разработчики ИИП могут легко подобрать идеально подходящий для их конкретных проектов транзистор, причем еще и в оптимальном для проекта корпусе.

Сводная таблица доступных вариантов исполнения транзисторов семейства CoolMOS P7 с рабочим напряжением 800 В приведена в таблице 2. Транзисторы индустриального класса исполнения ориентированы на пять основных целевых приложений: адаптеры и зарядные устройства, драйверы светодиодов, ИИП для аудиоаппаратуры, вспомогательные блоки питания и блоки питания индустриального оборудования.

Таблица 2. Варианты исполнения транзисторов семейства CoolMOS P7 с рабочим напряжением «сток-исток» 800 В

RDS(on), мОм	TO-220 FullPAK	TO-220 FP Narrow Lead	TO-252 DPAK	TO-220	TO-247	TO-251 IPAK	TO-251 IPAK SL
4500			IPD80R4K5P7			IPU80R4K5P7
3300			IPD80R3K3P7			IPU80R3K3P7
2400*			IPD80R2K4P7			IPU80R2K4P7	IPS80R2K4P7
2000			IPD80R2K0P7			IPU80R2K0P7	IPS80R2K0P7
1400	IPA80R1K4P7		IPD80R1K4P7	IPP80R1K4P7		IPU80R1K4P7	IPS80R1K4P7
1200	IPA80R1K2P7		IPD80R1K2P7	IPP80R1K2P7		IPU80R1K2P7	IPS80R1K2P7
900	IPA80R900P7		IPD80R900P7	IPP80R900P7		IPU80R900P7	IPS80R900P7
750*	IPA80R750P7		IPD80R750P7	IPP80R750P7		IPU80R750P7	IPS80R750P7
600*	IPA80R600P7	IPAN80R600P7	IPD80R600P7	IPP80R600P7
600						IPU80R600P7	IPS80R600P7
450	IPA80R450P7	IPAN80R450P7	IPD80R450P7	IPP80R450P7
360	IPA80R360P7	IPAN80R360P7	IPD80R360P7	IPP80R360P7	IPW80R360P7
280	IPA80R280P7	IPAN80R280P7	IPD80R280P7	IPP80R280P7	IPW80R280P7

Примечание: * — приборы будут доступны во второй половине 2017 г.

Как можно видеть из предложенного обзора, продукты CoolMOS P7 от Infineon сочетают в себе лучшие в своем классе характеристики и простоту использования современного технического уровня. Приборы этого семейства оптимально подходят для использования в обратноходовых ИИП с выходной мощностью до 250 Вт. Для облегчения имплементации своих продуктов компания оказывает поддержку разработчикам проектов путем предоставления различных руководящих материалов по применению приборов семейства CoolMOS P7 и разнообразными базовыми решениями, включая демонстрационную плату адаптера ноутбука мощностью 45 Вт и выходным напряжением 19 В, выполненную на транзисторе IPA80R450P7 (рис. 6).

Рис. 6. Демонстрационная плата адаптера мощностью 45 Вт, выполненная в топологии обратноходового преобразователя с использованием транзистора IPA80R450P7 семейства CoolMOS P7