На что способен кремний: 120 А MOSFET от ST

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 STMicroelectronics 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.

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

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 STMicroelectronics (Рис. 2).

Рис. 2.	Семейства низковольтных полевых транзисторов от STMicroelectronics.

Номенклатура низковольтных силовых транзисторов от STMicroelectronics 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 (5×6 мм)/(3.3×3.3 мм)/ (2×2 мм), SO-8 и SOT23-6L.

Несмотря на разнообразие и широкий диапазон характеристик, вся номенклатура низковольтных силовых транзисторов от STMicroelectronics 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 R_th (DPAK, D2PAK, ISOTOP, Max247, SOT-223, TO-220, TO-220FP, TO-247, Power FLAT(5×6 мм)/ (3.3×3.3 мм)/ (2×2 мм), SO-8 и 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.

Рис. 3.	Структуры N-канальных полевых транзисторов.

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

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).

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 R_th. 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 STMicroelectronics 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 5×6 WF 6×5 мм, значение типового сопротивления открытого канала этого ключа оказывается равным всего 2.1 мОм (U_ЗИ=10 В).

STL190N4F7AG – N-канальный полевой транзистор, который отличается от STL140N4F7AG еще более низким сопротивлением 1.68 мОм (U_ЗИ=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 6.05×2.3 мм, имеет импульсный ток до 560 А, способен работать на частотах до 100 МГц, а его R_СИ 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 (U_ЗИ=10 В);
• максимальное сопротивление открытого канала: 2.5 мОм (U_ЗИ=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 5×6 WF 6×5 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 (U_ЗИ=10 В);
• максимальное сопротивление открытого канала: 2 мОм (U_ЗИ=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 5×6 WF 6×5 мм.

Посмотреть подробнее характеристики GaN-транзисторов от STMicroelectronics