К. Староверов
Новости Электроники 12, 2008
В статье приводится обзор производственной линии мощных МОП-транзисторов HEXFET, приобретенной Vishay у International Rectifier, а также даются общие рекомендации по выбору и возможным применениям различных групп транзисторов.
Оценивая масштабы использования МОП-технологий в современной электронной технике, сейчас трудно представить, сколь драматична была история их становления, ведь даже через 30 лет после выхода в конце 1920-х годов первых теоретических работ физика Джулиуса Лилинфельда полевой транзистор можно было наблюдать только как лабораторный курьез. Именно так, в порядке лабораторного курьеза, появился первый МОП-транзистор с металлическим затвором исследователя из Bell Labs доктора Джона Аталла. Однако если на разработку практически пригодных маломощных МОП-транзисторов понадобится лишь несколько лет, то до появления первых мощных МОП-транзисторов пройдет еще 16 лет. Первые в мире мощные МОП-транзисторы, выполненные по технологии MOSPOWER®, представила компания Siliconix в 1976 году, а чуть позже, в 1979 году, компания International Rectifier предложила альтернативную МОП-структуру для построения мощных транзисторов, которая получила название HEXFET®. Так случилось, что именно эти две легендарные компании предопределили развитие мощных МОП-транзисторов в последующие десятилетия и именно они сейчас тесно связаны с другой не менее известной компанией Vishay. В 2005 году было завершено полное присоединение Siliconix к Vishay, начатое еще в 1998 году, а в 2007 году Vishay приобрела производственную линию силовых полупроводников International Rectifier, в которую вошли и популярные HEXFET-транзисторы. МОП-транзисторы Vishay из производственной линии IR представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Корпуса МОП-транзисторов Vishay из производственной линии International Rectifier
Структура HEXFET подразумевает организацию в одном кристалле тысяч параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек, образующих шестиугольник. Такое решение позволило существенно снизить сопротивление открытого канала RDS(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. С точки зрения классификации полевых транзисторов HEXFET относятся к полевым транзисторам с индуцированным каналом, т.е. работают в режиме обогащения канала неосновными носителями, что приводит к инверсии его проводимости. Такие транзисторы открываются только при подаче определенного напряжения между затвором и истоком. Полярность этого напряжения зависит от типа проводимости канала в открытом состоянии. У n-канальных транзисторов это напряжение положительное, а у p-канальных - отрицательное. Напряжение между затвором и истоком, способное вызвать протекание тока между стоком и истоком называется пороговым (VGS(TH)).
Обычно при использовании в качестве коммутаторов, p-канальные транзисторы включаются в разрыв положительной линии питания, при этом ток через них вытекает в нагрузку, а n-канальные - в разрыв отрицательной (или общей) линии питания и ток в них втекает из нагрузки. Однако, ввиду того, что p-канальные транзисторы сопоставимого класса с n-канальными обычно более дорогостоящие и ассортимент их гораздо хуже, в ряде применений общепринято использовать n-канальные и для коммутации в положительной линии питания. Для этого необходимо сток транзистора соединить с положительным питанием, исток - с нагрузкой и, самое сложное, создавать положительное отпирающее напряжение между затвором и «плавающим» при коммутации истоком. Для решения последней задачи выпускаются специальные «high-side» драйверные каскады. Описанный вариант использования n-канальных транзисторов широко используется в полумостовых и полномостовых силовых каскадах регулируемых электроприводов и импульсных преобразователей напряжения.
В приобретенный Vishay ассортимент HEXFET-транзисторов вошли дискретные транзисторы n- и p-типа в различных корпусах, в т.ч. изолированных и для поверхностного монтажа (SMT). Транзисторы охватывают широкий диапазон напряжений (до 1000 В) и тока (до 70 А), и могут использоваться во всех типичных для мощных МОП-транзисторов применениях. К ним относятся:
- коммутаторы в импульсных источниках питания и DC/DC-преобразователях, в т.ч. каскады синхронного выпрямления (как альтернатива диоду Шоттки с меньшими потерями мощности) и каскады коррекции коэффициента мощности;
- схемы коммутации и распределения электропитания;
- схемы выравнивания токов параллельно-работающих каналов;
- схемы защиты батарейных источников от протекания реверсного тока, зарядные устройства, схемы балансировки многоэлементных аккумуляторных батарей;
- схемы управления электродвигателями;
- усилители мощности звуковых частот;
- линейные стабилизаторы напряжения, в т.ч. LDO-типа;
- мощные источники тока;
- ключи общего назначения (например, для управления мощной светодиодной нагрузкой, электромагнитными реле, электромагнитами и т.п.).
При выборе HEXFET-транзистора по напряжению и току важно понимать, что приводимые в справочных таблицах и документации максимальное рабочее напряжение (напряжение пробоя сток-исток V(BR)DSS)) и максимальный ток стока ID носят классификационный характер и не могут служит окончательным основанием для выбора транзистора. Значение V(BR)DSS) характеризует гарантированное напряжение, при котором не наступит электрического пробоя транзистора, а значение максимального тока ID показывает, до какой величины тока при заданных напряжении затвор-исток и температуре корпуса температура перехода кристалла будет находиться в допустимых границах. Эти данные можно использовать как ориентир, а окончательное решение о выборе транзистора необходимо принимать только руководствуясь графиками области безопасной работы (ОБР) транзистора для статического или импульсного режима работы, которые приводятся в документации. Например, транзистор IRFB11N50A классифицирован на максимальные напряжение 500 В и ток 11 А, но даже в импульсом режиме (длительность проводящего состояния 10 мс) при максимальном напряжении он способен надежно коммутировать гораздо меньший ток (менее 1 А). Величина тока стока также может быть ограничена максимальной температурой кристалла. Чтобы проверить, имеет ли место это ограничение, необходимо выполнить тепловой расчет.
TJ = TA + PDЧRqJA,
где TJ - температура перехода, TA - температура окружающей среды, PD - рассеиваемая транзистором мощность, RqJA - тепловое сопротивление «переход - окружающая среда».
Величина рассеиваемой мощности в статических и низкочастотных коммутаторах главным образом зависит от потерь проводимости в канале, т.е. PD = ID2ЧRDS(on)ЧD, где RDS(on) - сопротивление канала в открытом состоянии, а D - коэффициент заполнения импульсов (для статического коммутатора D = 1). В более высокочастотных применениях у рассеиваемой мощности также появляется динамическая составляющая, которая зависит от частоты коммутации и величины заряда затвора QG, от которого зависит, сколь долго будет происходить включение и отключение транзистора, и выходной емкости COSS. Более подробно методика расчета потерь мощности в МОП-транзисторах уже рассматривалась на страницах НЭ [1], поэтому, детали здесь опускаются. Если полученное значение TJ окажется выше предельно допустимого для выбранного транзистора значения или значения, оговоренного техническим заданием, то необходимо выполнить одно из следующих действий вплоть до соблюдения данного условия:
- снизить ток стока, например, параллельным включением транзисторов;
- выбрать транзистор с более низкими RDS(on) и, при необходимости, QG/COSS;
- выбрать подобный транзистор, но в корпусе с улучшенными теплорассеивающими свойствами (например, то TO-247 вместо ТО-220);
- применить теплоотвод.
МОП-транзисторы в корпусах для поверхностного монтажа
МОП-транзисторы в SMT-корпусах являются идеальными кандидатами для использования в применениях, где теплорассеивающих свойств корпуса и печатной платы будет достаточно для соблюдения допустимого теплового режима транзистора. В приобретенном Vishay ассортименте транзисторов имеются приборы в SMT корпусах трех типов: D-PAK, D2-PAK и SOT-223. Сориентироваться в выборе транзисторов поможет таблица 1.
Таблица 1. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в SMT-корпусах
ID** (TC = 25°C), А | <1 | 1...5 | 5,1...10 | 10,1...15 | 15,1...20 | 28...41 | 50...57 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
VBRDSS, В | £60 | D2-PAK | - | - | IRLZ14S* IRFZ14S | - | IRLZ24S* IRFZ24S | IRLZ34S* IRFZ34S | IRLZ44S* IRFZ48S |
D-PAK | - | - | IRLR014* IRFR014 IRFR9020 IRFR9014 IRFR9024 | IRFR020 IRLR024* IRFR024 | - | - | - | ||
SOT-223 | - | IRFL014 IRFL9014 | - | - | - | - | - | ||
100 | D2-PAK | - | IRF9510S | IRL510S* IRF510S IRL520S* IRF520S IRF9520S | IRL530S* IRF530S IRF9530S | IRF9540S | IRL540S* IRF540S | - | |
D-PAK | - | IRLR110* IRFR110 IRFR9110 | IRLR120* IRFR120 IRFR9120 | - | - | - | - | ||
SOT-223 | - | IRLL110* IRFL110 IRFL9110 | - | - | - | - | - | ||
200...250 | D2-PAK | - | IRF610S IRF614S IRF624S IRF9610S IRF9620S | IRL620S* IRF620S IRL630S* IRF630S IRF634S IRF9630S | IRF644S IRF9640S | IRL640S* | - | - | |
D-PAK | - | IRFR210 IRFR220 IRFR214 IRFR224 IRFR9210 IRFR9220 IRFR9214 | - | - | - | - | - | ||
SOT-223 | IRFL210 IRFL214 | - | - | - | - | - | - | ||
400...450 | D2-PAK | IRF710S IRF720S | IRF730S IRF740S | - | - | - | - | ||
D-PAK | - | IRFR310 IRFR320 IRFR9310 | - | - | - | - | - | ||
500...550 | D2-PAK | - | IRF820S IRF830S | IRF840S | IRFS11N50A | - | - | - | |
D-PAK | - | IRFR420 IRFR420А IRFR430A | - | - | - | - | - | ||
600...650 | D2-PAK | - | - | IRFBC40AS IRFS9N60A | - | - | - | - | |
D-PAK | - | IRFR1N60A IRFRC20 | - | - | - | - | - | ||
800...1000 | D2-PAK | - | - | IRFBC40AS IRFS9N60A | - | - | - | - | |
D-PAK | - | IRFR1N60A IRFRC20 | - | - | - | - | - | ||
* - указывает на транзисторы, рассчитанные на управление 5 В-ым логическим уровнем ** - для транзисторов в корпусе SOT-223 ток стока соответствует окружающей температуре 25°C, а не температуре корпуса TC |
В этой и последующих таблицах для облегчения поиска комплементарных пар используется цветовое разделение n- и p-канальных транзисторов. Например, запись IRFL014 указывает на n-канальный тип, а IRFL9014 - на p-канальный.
МОП-транзисторы в корпусах для монтажа в отверстие
К использованию транзисторов в корпусах для монтажа в отверстие прибегают в следующих случаях:
- использование таких корпусов оговорено заданием к проекту;
- не существует SMT-транзисторов, отвечающих заданным требованиям;
- требуется установка на теплоотвод.
Наименования доступных транзисторов Vishay-IR в различных корпусах для монтажа в отверстие представлены в таблице 2, а внешний вид корпусов и их тепловые сопротивления - на рисунке 1.
Таблица 2а. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в корпусах для монтажа в отверстие
ID (TC = 25°C), А | 1...5 | 5,1...10 | 10,1...15 | 15,1...27 | 28...41 | 46...57 | 70 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
VBRDSS, В | £60 | TO-220AB | IRF9Z10 | IRFZ10 IRLZ14* IRFZ14 IRF9Z20 IRF9Z14 | IRF9Z24 | IRLZ24* IRFZ48 IRF9Z34 | IRLZ34* IRFZ44 | IRLZ44* IRFZ46 IRFZ34 | - |
TO-220FP | - | IRLIZ14G* IRFIZ14G IRFI9Z14G RFI9Z24G | IRLIZ24G* IRFIZ24G IRFI9Z34G | IRLIZ34G* IRFIZ34G | IRLIZ44G* IRFIZ44G IRFIZ48G | - | - | ||
TO-247AC | - | - | - | - | IRFP044 | IRFP048 IRFP054 IRFP064 | |||
100 | TO-220AB | IRF9510 | IRL510* IRF510 IRL520* IRF520 IRF9520 | IRL530* IRF530 IRF9530 | IRF9540 | IRL540* IRF540 | - | - | |
TO-220FP | IRFI510G | IRLI520G* IRFI520G IRFI530G IRFI9520G IRFI9530G | IRFI9540G | IRLI540G* IRFI540G | - | - | - | ||
TO-247AC | - | - | - | IRFP9140 | IRFP140 IRFP150 | - | - | ||
200...250 | TO-220AB | IRF610 IRF614 IRF624 IRF9610 IRF9620 | IRL620* IRF620 IRL630* IRF630 IRF634 IRF644 IRF9630 | IRF9640 | IRL640* IRF640 | - | - | - | |
TO-220FP | IRLI620G* IRFI620G IRLI630G* IRFI614G IRFI624G IRFI9610G IRFI9620G IRFI9630G IRFI9634G | IRFI630G IRLI640G* IRFI640G IRFI634G IRFI644G IRFI9640G | - | - | - | - | - | ||
TO-247AC | - | - | IRFP244 IRFP9240 | IRFP240 IRFP254 | IRFP250 IRFP264 | IRFP260 | |||
400...450 | TO-220AB | IRF710 IRF720 | IRF730 IRF734 IRF740 IRF744 | - | - | - | - | - | |
TO-220FP | IRFI720G IRFI730G IRFI734G IRFI744G | IRFI740G | - | - | - | - | - | ||
TO-247AC | - | IRFP344 | IRFP340 | IRFP350 IRFP360 | - | - | - | ||
500...550 | TO-220AB | IRF820 IRF830 | IRF840 IRFB11N50A IRFB13N50A IRFIB7N50A IRFIB7N50L IRFIB8N50K | IRFB16N50K | IRFB17N50L IRFB18N50K IRFB20N50K | - | - | - | |
TO-220FP | IRFI820G IRFI830G IRFI840G IRFIB5N50L | - | - | - | - | - | - | ||
TO-247AC | - | IRFP440 | IRFP448 IRFP450 | IRFP17N50L IRFP460 IRFP22N50A IRFP23N50L | IRFP31N50L IRFP32N50K | - | - | ||
VBRDSS, В | 600...650 | TO-220AB | IRFBC20 IRFBC30 | IRFB9N60A IRFBC40 IRFB9N65A | - | IRFB16N60L IRFB17N60K | - | - | - |
TO-220FP | IRFIB6N60A IRFIB5N65A | - | - | - | - | - | |||
TO-247AC | - | IRFPC40 | IRFPC50 IRFP15N60L | IRFPC60 IRFP21N60L IRFP22N60K IRFP26N60L IRFP27N60K | - | - | - | ||
800...1000 | TO-220AB | IRFBE20 IRFBE30 IRFBF20 IRFBF30 IRFBG20 IRFBG30 | - | - | - | - | - | - | |
TO-220FP | IRFIBE20G IRFIBE30G IRFIBF20G IRFIBF30G | - | - | - | - | - | - | ||
TO-247AC | IRFPE30 IRFPF30 IRFPF40 IRFPG30 IRFPG40 | IRFPE40 IRFPE50 IRFPF50 IRFPG50 | - | - | - | - | - | ||
* - указывает на транзисторы, рассчитанные на управление 5 В-ым логическим уровнем. |
Таблица 2б. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в корпусах для монтажа в отверстие**
ID (TC=25°C), А | <1 | 1...5 | 5,1...10 | 10,1...15 | 15,1...27 | 28...41 | 43...50 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
VBRDSS, В | £60 | TO-262 | - | - | IRF9Z14L | IRF9Z24L | IRF9Z34L | - | IRFZ44L |
HEXDIP | - | IRFD123 IRLD014* IRFD014 IRLD024* IRFD024 IRFD9020 IRFD9014 IRFD9024 | - | - | - | - | - | ||
100 | SOT-227 (Iso) | - | - | FB180SA10 | - | - | - | - | |
HEXDIP | IRFD9110 | IRLD110* IRFD110 IRLD120* IRFD120 IRFD9120 | - | - | - | - | - | ||
200...250 | TO-262 | - | - | - | - | IRF640L | - | - | |
HEXDIP | IRFD210 IRFD220 IRFD214 IRFD224 IRFD9210 IRFD9220 | - | - | - | - | - | - | ||
400...450 | TO-262 | - | - | IRF730AL IRF740AL | - | - | - | - | |
HEXDIP | IRFD310 IRFD320 | - | - | - | - | - | - | ||
500...550 | Super 220/247 | - | - | - | - | IRFBA22N50A | IRFPS35N50L IRFPS37N50A IRFPS40N50L | IRFPS43N50K | |
TO-262 | - | IRF820AL IRF830AL | IRF840AL IRF840LCL | IRFSL11N50A | - | - | - | ||
SOT-227 (Iso) | - | - | - | - | - | FA38SA50LC FC40SA50FK | FA57SA50LC | ||
HEXDIP | IRFD420 | - | - | - | - | - | - | ||
600...650 | Super 247 | - | - | - | - | - | IRFPS29N60L IRFPS30N60K IRFPS38N60L IRFPS40N60K | - | |
TO-262 | - | IRFBC20L IRFBC30L | IRFBC40L IRFSL9N60A | - | - | - | - | ||
HEXDIP | IRFDC20 | - | - | - | - | - | - | ||
800...1000 | TO-262 | - | IRFBE30L IRFBF20L | - | - | - | - | - | |
HEXDIP | IRFDC20 | - | - | - | - | - | - | ||
* - указывает на транзисторы, рассчитанные на управление 5 В-ым логическим уровнем ** - кроме транзисторов в корпусе SOT-227 (Iso), который рассчитан на проводной монтаж |
Некоторые из представленных в таблицах транзисторов доступны в обновленных исполнениях, что отмечается добавлением к серийному номеру суффикса «А» или «N» в конце цифрового кода. Например, транзистор IRF644, выпускаемый по технологии HEXFET третьего поколения, также доступен как IRF644N и обладает существенно улучшенными характеристиками заряда затвора (54 нКл против 68 нКл) и выходной емкости (140 пФ против 330 пФ), которые, как уже упоминалось, влияют на тепловые потери в импульсных применениях. Получить полный перечень серийных номеров можно по ссылке [2], выбрав там требуемый n- или p-канальный тип транзистора.
МОП-транзисторы в изолированных корпусах
В устройствах, где силовые приборы устанавливаются на теплотвод, который электрически связан с шасси устройства, или где из экономических соображений выгодно охлаждать несколько полупроводников на общем теплоотводе, существует необходимость в электрической изоляции таких силовых приборов от теплоотвода. При использовании обычных корпусов TO-220AC, металлическая пластина которых соединена со стоком кристалла МОП-транзистора, эта задача решается применением специальных слюдяных или пластиковых прокладок между транзистором и теплотводом. Однако такое решение имеет ряд недостатков: увеличивается перечень покупных изделий, что усложняет серийное производство изделий в части снабжения и складского учета; усложняется процесс сборки изделия и контроля качества; снижается уровень надежности изделия. Для решения этой задачи и избавления от перечисленных недостатков был разработан изолированный корпус TO220-FULL PACK (или TO220-FP). Существенным недостатком корпуса TO220-FP является его высокое тепловое сопротивление «переход-корпус» R JA (почти в 4 раза больше чем у обычного корпуса ТО220), что ограничивает возможность рассеивания им повышенных уровней мощности. В таком случае можно использовать транзисторы в еще одном изолированном корпусе - SOT-227, но он не рассчитан на монтаж пайкой и подключается проводниками к предусмотренным на его корпусе винтовым клеммникам.
МОП-транзисторы для управления логическим уровнем
Обычные МОП-транзисторы, хотя и имеют пороговое напряжение затвора менее 5 В (2...4 В), тем не менее, для работы с заявленными в документации малыми значениями RDS(on) требуют управления более высокими напряжениями (обычно более 6 В). Поэтому для применений, где требуется напрямую управлять МОП-транзистором с выхода цифровой ИС (например, микроконтроллера) были разработаны специальные транзисторы с управлением логическим уровнем. Такие транзисторы в таблицах 1 и 2 отмечены звездочкой и имеют префикс «L» в серийном номере. Значения RDS(on) у этих транзисторов определяются при напряжении VGS = 4 и 5 В.
Мощные МОП-транзисторы с функцией контроля тока
Отдельно в таблице 3 представлены особые МОП-транзисторы - с функцией контроля тока.
Таблица 3. МОП-транзисторы с функцией контроля тока в 5-выводном корпусе TO-220 (HEXSense®)
Серия | VBRDSS, В | RDS(on) (VGS=10 В), мОм | ID (TC=25°C), А | ID (TC=100°C), А | Qg (typ), нКл | Qgd (typ), нКл | Rth (JC), К/Вт | PD (TC=25°C), Вт |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
IRC540 | 100 | 77,0 | 28 | 20 | 69,0 | 37,0 | 1,00 | 150 |
IRC634 | 250 | 450,0 | 8,1 | 5,1 | 41,0 | 22,0 | 1,7 | 74 |
IRC640 | 200 | 180,0 | 18 | 11 | 70,0 | 39,0 | 1,00 | 125 |
IRC644 | 250 | 280,0 | 14 | 8,5 | 65,0 | 32,0 | 1,00 | 125 |
IRC730 | 400 | 1000,0 | 5,5 | 3,5 | 38,0 | 22,0 | 1,00 | 74 |
IRC740 | 400 | 550,0 | 10 | 6,3 | 66,0 | 33,0 | 1,00 | 125 |
IRC830 | 500 | 1500,0 | 4,5 | 3 | 38,0 | 22,0 | 1,7 | 74 |
IRC840 | 500 | 850,0 | 8 | 5,1 | 67,0 | 34,0 | 1,00 | 125 |
IRCZ24 | 60 | 100,0 | 17 | 12 | 24,0 | 9,0 | 2,5 | 60 |
IRCZ34 | 60 | 50,0 | 30 | 21 | 46,0 | 22,0 | 1,7 | 88 |
IRCZ44 | 60 | 28,0 | 50 | 37 | 95,0 | 46,0 | 1,00 | 150 |
Все эти транзисторы относятся к n-канальному типу и, в отличие от остальных, имеют два дополнительных вывода: вывод сигнального истока (для включения в слаботочную контрольную цепь) и вывод контроля тока. На последнем выводе, по аналогии с токовым зеркалом, формируется небольшой ток, который пропорционален току сток-исток. Данный тип мощных приборов используется главным образом в устройствах управления электроприводами и импульсных источниках питания, где очень важен контроль тока. Их применение позволяет снизить потери мощности по сравнению с шунтовым способом контроля тока и снизить стоимость решения по сравнению с контролем тока датчиками Холла.
Таким образом, в приобретенную Vishay производственную линию International Rectifier входит обширное число выполненных по технологии HEXFET МОП-транзисторов n- и p-канального типов; в различных корпусах, в т.ч. для поверхностного и выводного монтажа, изолированные и с улучшенной теплорассеивающей способностью; в стандартных и специальных исполнениях (для управления логическим уровнем, с улучшенными динамическими и статическими характеристиками). Для применений с функциями защиты по току предлагаются специальные приборы с отдельным выводом для контроля тока. Более детальную информацию по рассмотренным транзисторам можно найти по ссылке [2]