Впервые в безвыводных корпусах: повышение удельной мощности силовых устройств с новыми МОП-транзисторами Infineon

Тепловые характеристики новых 650-вольтовых МОП-транзисторов IPT65R033G7 и IPT60R028G7 производства Infineon в корпусах TOLL с габаритными размерами 10,10x11,88x2,4 мм позволили впервые в отрасли реализовать силовой каскад ККМ с жесткой коммутацией на мощность до 3 кВт в варианте SMD
1571
В избранное

infin.png (829 b)Одним из требований, предъявляемых к силовым преобразователям с жесткой коммутацией, например, корректорам коэффициента мощности (ККМ) компьютерных серверов и телекоммуникационных систем, источникам бесперебойного питания (ИБП) и инверторам солнечных батарей, является постоянный рост удельной мощности. Увеличение мощности силовых устройств при прежних габаритах диктует разработчикам необходимость поиска путей реализации высокочастотных преобразовательных схем с повышенным КПД и пониженным тепловыделением.

Тепловой режим силовых полупроводниковых приборов, в частности – МОП-транзисторов, является основным фактором, ограничивающим возможность использования компонентов поверхностного монтажа (SMD) вместо традиционных штыревых приборов. Однако в настоящее время полупроводниковая технология Super Junction (SJ) в сочетании с усовершенствованными корпусами SMD дает возможность применения МОП-транзисторов, выполненных в корпусах SMD, в силовых преобразовательных устройствах средней и большой мощности.

В современном мире происходит истощение природных ресурсов, вследствие чего наблюдается рост стоимости недвижимости и энергоносителей. Эти два фактора оказывают огромное влияние на мировую инфраструктуру. Эксперты прогнозируют устойчивую тенденцию роста удельной мощности силовых устройств, вследствие чего технологии каждого нового поколения будут обеспечивать большую мощность в меньшем объеме. Например, в современных серверах увеличение мощности происходит при сохранении малых рабочих напряжений, что приводит к значительному росту потребляемых токов. В свою очередь большие токи требуют увеличения площади сечения медных проводников для минимизации потерь энергии. При взгляде на современные информационные центры становится понятной необходимость роста удельной мощности – рабочее пространство стоит дорого, вследствие чего бизнес стремится получить максимум прибыли с единицы площади. Достигнутая в 2006 г. мощность 6 кВт на одну стойку питания к концу текущего десятилетия увеличится, по прогнозам, почти втрое, что предъявляет все более серьезные требования к системам электропитания.

Большую роль в решении данной проблемы играет повышение энергоэффективности. Если источник питания не вырабатывает избыточного тепла, задача отвода избыточной тепловой энергии отсутствует. Высокая энергоэффективность означает, что конечный потребитель получает больше «полезной» энергии, то есть снижаются затраты энергии на выполнение вычислительных операций, работу систем связи или преобразование солнечной энергии. Более плотная компоновка серверов позволяет уменьшить расходы на аренду недвижимости, а уменьшение тепловыделения снижает требования к системе охлаждения, что в конечном итоге также приводит к уменьшению требуемого рабочего пространства и снижает затраты на электроэнергию.

Несмотря на то, что электронная промышленность достаточно давно перешла на технологию поверхностного монтажа, силовые п/п-приборы, в том числе – усовершенствованные, последнего поколения, по-прежнему выпускаются в корпусах со штыревыми выводами. Наиболее распространенные типы таких корпусов, – TO-220 и TO-247, – обеспечивают наилучший тепловой режим, однако требуют дополнительных производственных операций, увеличивающих стоимость изделия. Кроме того, как будет показано далее, выводы корпусов являются фактором, ограничивающим эксплуатационные характеристики размещенных в них МОП-транзисторов.

МОП-транзисторы Super Junction серии C7 Gold

Хорошо зарекомендовавшая себя технология CoolMOSTM компании Infineon Technologies прошла длительный путь развития, начиная с внедрения в 1999 г. новой структуры стока МОП-транзисторов (рисунок 1). Данный техпроцесс поддерживает высокие стандарты качества, что можно проиллюстрировать следующим фактом – на 1,6 миллиарда выпущенных изделий CoolMOSTM было зарегистрировано всего 38 отказов.

Сравнительный вид п/п-структур планарного высоковольтного МОП-транзистора (слева) и МОП-транзистора, выполненного по технологии SJ (справа)

Рис. 1. Сравнительный вид п/п-структур планарного высоковольтного МОП-транзистора (слева) и МОП-транзистора, выполненного по технологии SJ (справа)

МОП-транзисторы, изготовленные по технологии Super Junction, имеют два существенных отличия от планарных высоковольтных МОП-транзисторов. Первое из них заключается в меньшем сопротивлении в открытом состоянии RDS(ON), что достигается более сильным легированием области протекания тока. Однако без вертикальных областей с проводимостью p-типа, образующих структуру компенсации заряда в области ниже ячейки, рабочее напряжение транзистора будет значительно меньше из-за сильно легированной области n-типа. Вертикальные области p-типа с точно заданными размерами создают компенсационную структуру, которая уравновешивает сильнолегированную область протекания тока. В результате достигается нулевое среднее значение зоны пространственного заряда, обеспечивая тем самым высокое рабочее напряжение «сток-сток».

Данная конструкция транзистора позволила уменьшить удельное сопротивление канала, что привело к снижению потерь проводимости. Благодаря сопутствующему положительному эффекту в виде уменьшения площади кристалла произошло уменьшение паразитных емкостей и динамических потерь, что позволило преодолеть предельную линию кремния. Уже в первом поколении транзисторов CoolMOS™ Серии CP были снижены все виды потерь.

Дальнейшее развитие технологии МОП-транзисторов привело к созданию серии C7 с уменьшенными значениями паразитных емкостей и достигнутым впервые в мире удельным сопротивлением R(ON) × A < 1 Ом×мм2. Потери на выключение МОП-транзисторов серии C7 были уменьшены на 50% по сравнению с МОП-транзисторами предыдущего поколения CP. В серии МОП-транзисторов C7 Gold (G7) технология CoolMOSTM получила дальнейшее усовершенствование, в результате чего потери на выключение были дополнительно уменьшены на 25%. МОП-транзисторы C7 Gold (G7) обладают лучшими в своем классе показателями качества в терминах RDS(ON) × EOSS’ и RDS(ON) × Qg, что обеспечивает максимальный КПД в топологиях с жесткой коммутацией, например, ККМ.

Безвыводный корпус TOLL

В силовых каскадах ККМ средней и большой мощности часто используются приборы в корпусах со штыревыми выводами. По мере развития электронной промышленности разработчики корпусов также внедрили ряд инноваций: например, замена корпуса TO-247 на TO-220 позволила уменьшить площадь посадочного места на 50%. Однако даже такие корпуса SMD как D2PAK имеют выводы, несмотря на то, что припаиваются также по технологии поверхностного монтажа. Наличие выводов у выводных корпусов требует отдельного техпроцесса пайки волной припоя или, в худшем случае, ручной пайки. Однако проблема не только в этом – выводы обладают паразитной индуктивностью, которая уменьшает скорость изменения управляющего напряжения, вследствие чего снижается КПД силового каскада.

Для решения данной проблемы компания Infineon разработала безвыводный корпус TOLL (TO-Leadless), преимущества которого показаны на рисунке 2 и в таблице 1.

Сравнение габаритных и установочных размеров различных типов корпусовРис. 2. Сравнение габаритных и установочных размеров различных типов корпусов

Таблица 1. Сравнение МОП-транзисторов Infineon C7 и G7, выполненных в различных типах корпусов, по максимальному RDS(ON) и паразитной индуктивности выводов

Тип корпуса TO-247 TO-220 D2PAK TOLL
CoolMOSTM 650 В IPW65R019C7
19 мОм
IPP65R045C7
45 мОм
IPB65R045C7
45 мОм
IPT65R033G7
33 мОм
CoolMOSTM 600 В IPW60R017C7
17 мОм
IPP60R040C7
40 мОм
IPB60R040C7
40 мОм
IPT60R028G7
28 мОм
Индуктивность выводов 15 нГн 10 нГн 5 нГн 1 нГн

На рисунке 3 показано детальное сравнение габаритных размеров корпуса TOLL с одним из распространенных типов корпусов SMD – D2PAK. В корпусе TOLL полностью отсутствуют выводы, унаследованные традиционными корпусами SMD от их штыревых прототипов, благодаря чему паразитная индуктивность контактов корпуса снижена с 5 до 1 нГн. Кроме того, корпус TOLL занимает на 60% меньший объем по сравнению с D2PAK.

Сравнение корпусов TO-Leadless (TOLL) и D2PAKРис. 3. Сравнение корпусов TO-Leadless (TOLL) и D2PAK

Новый тип корпуса TOLL выполнен по бессвинцовой технологии и обладает минимальной чувствительностью к влажности (класс MSL1), что упрощает производственные процессы по его монтажу. Пайка корпусов TOLL может осуществляться либо волной, либо оплавлением припоя, что обеспечивает большую гибкость в выборе технологических процессов. Особенностью корпуса TOLL является наличие трапециевидных канавок на внешней стороне контактов. В процессе пайки канавки заполняются припоем, что позволяет контролировать соединение контактов с печатной платой оптическими средствами, обеспечивая тем самым высокое качество конечной продукции.

МОП-транзисторы CoolMOSTM C7 Gold с рабочим напряжением 600 и 650 В в корпусе TOLL

IPT65R033G7 и IPT60R028G7 представляют собой первые серийно производимые МОП-транзисторы, сочетающие в себе преимущества технологии CoolMOSTM C7 GOLD (G7) и нового корпуса TOLL, что позволяет разработчикам использовать их в силовых преобразовательных устройствах нового поколения.

МОП-транзистор в корпусе TOLL может быть включен по типовой трехвыводной схеме либо с подключением дополнительного вывода истока (Кельвиновское соединение). Несмотря на значительно меньшую паразитную индуктивность истока (1 нГн) дополнительный вывод истока, используемый в качестве общей цепи драйвера затвора, позволяет исключить падение напряжения на паразитной индуктивности. Данная особенность корпуса TOLL обеспечивает работу преобразователя с максимальным КПД, в том числе – при максимальном токе нагрузки.

По сравнению с ближайшими аналогами IPT65R033G7 и IPT60R028G7 имеют наименьшее сопротивление в открытом состоянии – соответственно, 33 и 28 мОм максимум, что в сочетании с типовым значением заряда затвора Qg = 110 нКл и Eoss = 13,5 мкДж при напряжении 400 В демонстрирует лучший показатель качества для 650-вольтовых МОП-транзисторов.

IPT65R033G7 и IPT60R028G7 в корпусе TOLL имеют габаритные размеры 10,10×11,88×2,4 мм. Безвыводное соединение кристалла в корпусе SMD обеспечивает типичное значение теплового сопротивления «кристалл-окружающая среда» RthJA = 35°C/Вт. Данные тепловые характеристики позволили впервые в отрасли реализовать силовой каскад ККМ с жесткой коммутацией на мощность до 3 кВт в варианте SMD. В то время как применение 650-вольтовых МОП-транзисторов C7 Gold (G7) ограничено силовыми каскадами с жесткой коммутацией, 600-вольтовая версия может использоваться также в резонансных топологиях, например, LLC.

Преимущества технологии C7 Gold (G7) при использовании МОП-транзисторов в современных силовых преобразовательных устройствах показаны на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 показано, что прирост КПД достигнут за счет меньшего сопротивления RDS(ON) и использования четырехвыводной схемы с Кельвиновским соединением вывода истока. Рисунок 5 иллюстрирует снижение температуры МОП-транзистора, достигнутое за счет внедрения технологии C7 Gold и четырехвыводной схемы с Кельвиновским соединением вывода истока.

Увеличение КПД МОП-транзистора в корпусе TOLL по сравнению с выводным корпусом TO-247Рис. 4. Увеличение КПД МОП-транзистора в корпусе TOLL по сравнению с выводным корпусом TO-247

Снижение температуры МОП-транзистора

Рис. 5. Снижение температуры МОП-транзистора

Заключение

Основным преимуществом технологии C7 Gold является малая величина удельного сопротивления канала R(ON) × A < 1 Ом×мм2, что позволило достичь малых значений RDS(ON) – 33 мОм для 650-вольтового и 28 мОм для 600-вольтового транзисторов. Помимо этого, на повышение КПД силовых каскадов влияют также улучшенные показатели RDS(ON) × EOSS и RDS(ON) × Qg и, как следствие, меньшее тепловыделение.

Дальнейшее увеличение КПД достигнуто за счет применения корпуса TOLL с минимальной индуктивностью истока (1 нГн) и четырехвыводной схемой с Кельвиновским соединением вывода истока. Корпус TOLL сочетает малую площадь посадочного места (115 мм2) и улучшенное тепловое сопротивление (RthJA = 35°C/Вт), что позволяет разработчикам реализовать импульсные источники питания мощностью до 3 кВт на основе МОП-транзисторов в корпусах SMD.

Благодаря автоматизации технологических процессов использование новых типов МОП-транзисторов в серверах, телекоммуникационном оборудовании и инверторах солнечных батарей позволяет повысить удельную мощность и снизить стоимость изделий.

Высокое качество корпуса TOLL (класс MSL1) и его совместимость с технологиями пайки волной и оплавлением припоя обеспечивают изделиям длительный срок эксплуатации. Корпус TOLL сертифицирован для промышленных применений в соответствии со стандартами JEDEC (J-STD20 и JESD22) и в дальнейшем будет использован для корпусирования п/п-приборов, изготавливаемых по другим технологиям, в частности – линейки CoolGaN производства компании Infineon.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IPW65R019C7FKSA1
IPW65R019C7FKSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1345241 ИНФО PDF RD RND
Доступно: 85 шт. 789,00
700V and 650V CoolMOS™ N-Channel Power MOSFET, Infineon’s new CoolMOS™ C7 series is a revolutionary step forward in technology, providing the worlds’s lowest RDS(on)/p…
IPW65R019C7FKSA1 789,00 от 4 шт. 789,00 от 8 шт. 789,00 от 16 шт. 789,00 от 41 шт. 789,00
85 шт.
(на складе)
IPB60R099C7ATMA1
IPB60R099C7ATMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114976 PDF
Доступно: 179 шт. 376,00
MOSFET HIGH POWER_NEW
IPB60R099C7ATMA1 376,00 от 11 шт. 322,00 от 24 шт. 290,00 от 51 шт. 269,00 от 132 шт. 255,00
179 шт.
(на складе)
IPB60R180C7ATMA1
IPB60R180C7ATMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2114982 ИНФО PDF
Доступно: 237 шт. от 1 шт. от 283,78
Выбрать
условия
поставки
MOSFET HIGH POWER_NEW
IPB60R180C7ATMA1 от 1 шт. от 283,78
237 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IPP65R225C7XKSA1
IPP65R225C7XKSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2115808 ИНФО PDF RND
Доступно: 77 шт. от 1 шт. от 870,51
Выбрать
условия
поставки
650V and 700V CoolMOS™ N-Channel Power MOSFET, Infineon’s new CoolMOS™ C7 series is a revolutionary step forward in technology, providing the worlds’s lowest RDS(on)/p…
IPP65R225C7XKSA1 от 1 шт. от 870,51
77 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IPW60R060C7XKSA1
IPW60R060C7XKSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2115932 PDF AN RND
Доступно: 134 шт. 499,00
100V-300V N-Channel Automotive MOSFET, The new 600V CoolMOS ™ C7 series from Infineon offers a ~50% reduction in turn-off losses (E oss ) compared to the Cool…
IPW60R060C7XKSA1 499,00 от 8 шт. 428,00 от 18 шт. 385,00 от 30 шт. 357,00 от 90 шт. 339,00
134 шт.
(на складе)
IPT60R102G7XTMA1
IPT60R102G7XTMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2236455 ИНФО PDF RND
Доступно: 154 шт. 191,00
MOSFET HIGH POWER NEW
IPT60R102G7XTMA1 191,00 от 14 шт. 191,00 от 30 шт. 191,00 от 64 шт. 191,00 от 168 шт. 191,00
49 шт.
(на складе)
105 шт.
(под заказ)
IPT60R125G7XTMA1
IPT60R125G7XTMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2236456 ИНФО PDF RND
Доступно: 315 шт. 86,00
MOSFET HIGH POWER NEW
IPT60R125G7XTMA1 86,00 от 18 шт. 86,00 от 39 шт. 86,00 от 84 шт. 86,00 от 220 шт. 86,00
193 шт.
(на складе)
122 шт.
(под заказ)
IPT60R150G7XTMA1
IPT60R150G7XTMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2236457 ИНФО PDF RND
Доступно: 333 шт. 71,50
MOSFET HIGH POWER NEW
IPT60R150G7XTMA1 71,50 от 21 шт. 71,50 от 47 шт. 71,50 от 100 шт. 71,50 от 264 шт. 71,50
179 шт.
(на складе)
154 шт.
(под заказ)
IPT65R105G7XTMA1
IPT65R105G7XTMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2236459 PDF AN RND
Доступно: 111 шт. от 1 шт. от 601,95
Выбрать
условия
поставки
MOSFET
IPT65R105G7XTMA1 от 1 шт. от 601,95
111 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IPT65R195G7XTMA1
IPT65R195G7XTMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2236460 ИНФО PDF AN RND
Доступно: 454 шт. 65,50
650V and 700V CoolMOS™ N-Channel Power MOSFET, The CoolMOS™ C7 Gold series (G7) for the first time brings together the benefits of the improved 650V CoolMOS™ C7 Gold t…
IPT65R195G7XTMA1 65,50 от 23 шт. 65,50 от 51 шт. 65,50 от 109 шт. 65,50 от 287 шт. 65,50
247 шт.
(на складе)
207 шт.
(под заказ)

Сравнение позиций

  • ()