На что способен кремний: 120 А MOSFET от ST

| STMicroelectronics

Несмотря на масштабное наступление нитрид-галлиевых и карбид-кремниевых технологий, силовые кремниевые компоненты пока что достаточно уверенно сдерживают их натиск. Так, например, новые N-канальные ключи STL140N4F7AG и STL190N4F7AG из семейства STripFET F7 от ST Microelectronics хотя и не могут поспорить с GaN-транзисторами в плане быстродействия, тем не менее, демонстрируют рекордно низкие значения сопротивления открытого канала, компактные габариты и постоянную токовую нагрузку до 120 А! Еще одним преимуществом новых кремниевых ключей над нитрид-галлиевыми конкурентами является соответствие требованиям AEC-Q101, что делает возможным их применение, в том числе в автомобильных приложениях.

Полевые транзисторы STripFETF7 с токовой нагрузкой до 120 А от ST Microelectronics

Рис. 1. Полевые транзисторы STripFETF7 с токовой нагрузкой до 120 А от ST Microelectronics

Как считают специалисты, кремниевые технологии в сфере производства полупроводниковых компонентов все ближе подходят к максимуму своих физических возможностей. Качественный скачок электрических характеристик возможен только при освоении новых, более перспективных материалов, например, карбида кремния или нитрид-галлия. Это убедительно доказывается на примере уже существующих GaN и SiC-транзисторов. Тем не менее, позиции кремниевых силовых компонентов остаются достаточно уверенными. Более того, на рынке постоянно появляются новые более совершенные образцы.

В большинстве случаев совершенствование характеристик кремниевых транзисторов достигается за счет оптимизации структуры ключей и использования новых типов корпусных исполнений. При этом наблюдается ярко выраженная специализация того или иного компонента или семейства. В этом можно убедиться на примере силовых транзисторов от ST Microelectronics (рис. 2).

Семейства низковольтных полевых транзисторов от ST Microelectronics

Рис. 2. Семейства низковольтных полевых транзисторов от ST Microelectronics

Номенклатура низковольтных силовых транзисторов от ST Microelectronics на настоящий момент включает представителей с различными характеристиками:

  • P-канальные и N-канальные транзисторы;
  • с рабочими напряжениями до -100 В и до +120 В;
  • с сопротивлением каналов 1,68…90 мОм;
  • с корпусными исполнениями DPAK, D2PAK, ISOTOP, Max247, SOT-223,TO-220, TO-220FP, TO-247, PowerFLAT(5x6 мм)/(3,3x3,3 мм)/(2x2 мм), SO-8 и SOT23-6L.

Несмотря на разнообразие и широкий диапазон характеристик, вся номенклатура низковольтных силовых транзисторов от ST Microelectronics состоит из четырех специализированных семейств. Каждое из них имеет свои сильные и слабые стороны. Например, серия H7 отличается встроенным диодом Шоттки, что делает эти транзисторы идеальным выбором для быстродействующих приложений, и позволяет им конкурировать даже с нитрид-галлиевыми ключами.

Транзисторы из семейства STripFETF7 также являются весьма привлекательными за счет узкой специализации. Они разработаны специально для приложений с повышенной токовой нагрузкой и средним быстродействием. К таким приложениям можно отнести различные импульсные преобразователи: в первую очередь инверторы солнечных батарей, блоки бесперебойного питания и силовую автомобильную электронику. Ключевыми преимуществами STripFETF7 являются:

  • cверхнизкие значения сопротивления открытого канала от единиц мОм;
  • оптимизированные значения заряда восстановления;
  • корпусные исполнения с минимальным значением теплового сопротивления Rth (DPAK, D2PAK, ISOTOP, Max247, SOT-223, TO-220, TO-220FP, TO-247, Power FLAT(5x6 мм)/(3,3 x3,3 мм)/(2x2 мм), SO-8 and SOT23-6L);
  • ряд представителей семейства отвечает требованиям AEC-Q101 для автомобильных приложений.

Для снижения паразитных емкостей и уменьшения сопротивления открытого канала структура STripFET F7 выполняется по фирменной Trench-технологии DeepGATE. При этом затвор имеет вид утопленной канавки (trench). Если у планарных MOSFET ток течет горизонтально, то у STripFET F7 ток течет вертикально (рис. 3). Такое положение позволяет уменьшить длину канала и толщину N-слоя. В итоге суммарное сопротивление открытого транзистора оказывается существенно меньше, чем для планарных силовых ключей.

Структуры N-канальных полевых транзисторов

Рис. 3. Структуры N-канальных полевых транзисторов

Если сравнивать значения удельных сопротивлений низковольтных транзисторов от ST Microelectronics различных поколений, то окажется, что показатели STripFET F7 в два раза лучше, чем, например, у поколения F4.

Снижение сопротивления проводящего канала для STripFETF7 от ST Microelectronics

Рис. 4. Снижение сопротивления проводящего канала для STripFETF7 от ST Microelectronics

Само по себе низкое сопротивление канала не всегда является главным критерием при выборе оптимального транзистора. Дело в том, что этот параметр определяет только мощность статических потерь или потерь проводимости. В то же время, для быстродействующих приложений решающую роль играют динамические потери. Чтобы их минимизировать, требуется использовать ключи с минимальным временем восстановления и минимальным зарядом обратного восстановления. К сожалению, для кремниевых транзисторов проблематично выполнить все условия одновременно. По этой причине, производители прибегают к созданию специализированных семейств, в которых оптимизируется либо сопротивление канала, либо заряд восстановления. Это вполне оправданно, так как очень часто приложения не требуют отличных показателей по всем параметрам. Например, в блоках бесперебойного питания (ИБП) мостовая схема работает на относительно низкой частоте, но при высоких токах (рис. 5).

Базовая схема подключения силового моста в блоках бесперебойного питания

Рис. 5. Базовая схема подключения силового моста в блоках бесперебойного питания

При выборе транзисторов для ИБП необходимо выполнить три основных требования. Во-первых, обеспечить низкое сопротивление открытого канала. Во-вторых, использовать корпусные исполнения с низким тепловым сопротивлением Rth. В-третьих, обеспечить минимальное прямое падение встроенных диодов. При этом такие параметры как заряд затвора, входная емкость оказываются для данного приложения не критичными.

Новые транзисторы STL140N4F7AG и STL190N4F7AG от ST Microelectronics идеально подходят именно для таких мощных и не очень быстродействующих приложений.

STL140N4F7AG – N-канальный полевой транзистор с рабочим напряжением до 40 В и постоянным током до 120 А! Несмотря на миниатюрный корпус PowerFLAT 5x6 WF 6x5 мм, значение типового сопротивления открытого канала этого ключа оказывается равным всего 2,1 мОм (Uзи=10 В).

STL190N4F7AG– N-канальный полевой транзистор, который отличается от STL140N4F7AG еще более низким сопротивлением 1,68 мОм (Uзи=10 В). Однако входная емкость у него несколько выше и достигает 3 нФ.

По величине сопротивления открытого канала новые транзисторы могут поспорить с нитрид-галлиевыми конкурентами. Так EPC2024 от компании EPC выпускается в миниатюрном корпусе LGA 6,05x2,3 мм, имеет импульсный ток до 560 А, способен работать на частотах до 100 МГц, а его Rси не превышает 1,5 мОм. Вместе с тем, его постоянный ток составляет «всего» 90 А, что на четверть меньше чем у STL140N4F7AG и STL190N4F7AG. Таким образом, хотя на высоких частотах кремниевые ключи уступают GaN, но в низкочастотных приложениях они до сих пор имеют явное превосходство.

Еще одним преимуществом новых транзисторов является их сертификация в соответствии со стандартом AEC-Q101. Это стало возможным не только из-за их отличных нагрузочных характеристик, но и благодаря повышенной устойчивостью технологии DeepGATE ко вторичному пробою и различным внешним помехам.

Таким образом, благодаря узкой специализации, отработанной технологии и инновационным корпусным решениям, кремниевые транзисторы продолжают сохранять свои позиции в целом ряде приложений.

Характеристики GaN-транзистора STL140N4F7AG:

  • рейтинг напряжения: 40 В;
  • максимальный постоянный ток стока: 120 А;
  • импульсный ток стока: 480 А;
  • типовое сопротивление открытого канала: 2,1 мОм (Uзи=10 В);
  • максимальное сопротивление открытого канала: 2,5 мОм (Uзи=10 В);
  • допустимый диапазон напряжения затвор-исток: ±20 В;
  • входная емкость: 2300 пФ;
  • заряд затвора: 29 нКл;
  • обратный диод: 1,2 В (максимальное прямое падение напряжения), время восстановления 55 нс, обратный заряд 67 нКл, обратный ток восстановления 2,4 А;
  • корпус: PowerFLAT 5x6 WF 6x5 мм.

Характеристики GaN-транзистора STL190N4F7AG:

  • рейтинг напряжения: 40 В;
  • максимальный постоянный ток стока: 120 А;
  • импульсный ток стока: 480 А;
  • типовое сопротивление открытого канала: 1,68 мОм (Uзи=10 В);
  • максимальное сопротивление открытого канала: 2 мОм (Uзи=10 В);
  • допустимый диапазон напряжения затвор-исток: ±20 В;
  • входная емкость: 3000 пФ;
  • заряд затвора: 41 нКл;
  • обратный диод: 1,2 В (максимальное прямое падение напряжения), время восстановления 43 нс, обратный заряд 43 нКл;
  • корпус: PowerFLAT 5x6 WF 6x5 мм.
Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
STL140N4F7AG
STL140N4F7AG
STMicroelectronics
Арт.: 2176628 ИНФО PDF
Поиск
предложений
N-канальный полевой транзистор с рабочим напряжением до 40 В и постоянным током до 120 А! Несмотря на миниатюрный корпус PowerFLAT 5x6 WF 6x5 мм, значение типового сопротивления открытого канала этого ключа оказывается равным всего 2,1 мОм (Uзи10 В).
STL140N4F7AG 326,50
-
Поиск
предложений
STL190N4F7AG
STL190N4F7AG
STMicroelectronics
Арт.: 2176632 ИНФО PDF
Поиск
предложений
N-канальный полевой транзистор, который отличается от STL140N4F7AG еще более низким сопротивлением 1,68 мОм (Uзи10 В). Однако входная емкость у него несколько выше и достигает 3 нФ.
STL190N4F7AG 346,04
-
Поиск
предложений