М. Тимофеев

Полевые транзисторы фирмы STMicroelectronics

В статье предпринята попытка сравнить характеристики MOSFET (полевых) транзисторов ведущих мировых производителей, таких как STMicroelectronics, Infineon, International Rectifier, Vishay, Toshiba и ON Semiconductor (Motorola).

Вначале хотелось бы познакомить читателей с обзором новых семейств MOSFET-транзисторов фирмы STMicroelectronics, без сомнения, если не лидирующей, то одной из фирм, обладающих наиболее передовыми разработками и технологиями в области силовой электроники.

MDmesh MOSFET

STMicroelectronics разработала новую MOSFET-технологию, значительно уменьшающую RDS ON (сопротивление сток√исток в открытом состоянии). Новая технология названа MDmesh (Multiple Drain mesh), потому что она основана на многочисленных вертикальных Р-структурах стока. Кроме очень низкого RDS ON, новая вертикальная структура кристалла обеспечивает превосходные dV/dt характеристики.

Рисунок 1. Структура кристалла MDmesh MOSFET

Такая структура кристалла также обеспечивает величину заряда затвора Qg на 40% ниже, чем у традиционных MOSFET, что повышает скорость переключения и снижает потери мощности на переключение. Низкая величина заряда затвора Qg да╦т возможность использовать меньшие и более экономичные затворные цепи.

Температурный коэффициент сопротивления кристалл√корпус Rjc не превышает 1,7╟С/W. Размер кристалла значительно уменьшился, что обеспечило превосходные тепловые характеристики. Для сравнения, 500-В STP12NM50 в корпусе ТО-220 с RDS ON = 0,35 Ом имеет кристалл, занимающий лишь 60% общей площади изделия. Такое низкое RDS ON в стандартной технологии MOSFET доступно только в корпусе ТО-247 с большим размером кристалла.

Эти преимущества могут быть реализованы в таких применениях, как источники вторичного электропитания средней мощности, где низкое RDS ON и улучшенные динамические характеристики могут увеличить КПД источников питания не менее, чем на 2%, и это позволит уменьшить теплоотвод до 40% при той же самой температуре нагрева.

Для демонстрации преимуществ MDmesh-приборов в реальных применениях, сравним электрические и тепловые характеристики транзистора MOSFET предыдущего поколения STW15NB50 (500 В, 0,36 Ом, ТО-247) и MDmesh MOSFET STP12NM50 (500 В, 0,35 Ом, ТО-220) в 360-Вт мостовом источнике питания, где нагрузкой транзисторов является первичная обмотка трансформатора преобразователя. MDmesh MOSFET показал лучшие скорости переключения, чем MOSFET предыдущего поколения. Время включения STP12NM50 было на 100 нс меньше, чем у STW15NB50. Величина заряда затвора STP12NM50 составила 21 нКл, в то время как у STW15NB50 - 70 нКл. Величина энергии выключения STP12NM50 была 22,6 мкДж, в то время как у STW15NB50 она достигла 31,3 мкДж. При частоте переключения 115 кГц это означает разность в потерях на переключение около 1 Вт на транзистор (2,6 Вт у STP12NM50 против 3,6 Вт у STW15NB50). Потери на проводимость составили 3,2 Вт у STP12NM50 против 3,4 Вт у STW15NB50.

Следует отметить, что сравнение проводилось не с традиционным стандартным MOSFET, а с быстрым MOSFET-прибором предыдущего поколения STMicroelectronics, имеющим неплохие динамические характеристики и низкую величину заряда затвора, по сравнению с IRFP450 (корпус ТО-247).

Z-серия MOSFET

STMicroelectronics представляет новое семейство MOSFET-транзисторов, которые содержат встроенный диод Зенера в затворной цепи. Это семейство высоковольтных транзисторов (от 700 до 900 В) полностью защищено от электростатического пробоя и выбросов напряжения в затворной цепи вследствие переходных процессов. Напряжение ограничения диода Зенера составляет около 25 В, что предохраняет затвор от перенапряжения. Диоды Зенера способны подавить выбросы напряжения до 140 В.

Рисунок 2. Синхронный понижающий преобразователь

Таблица 1. Z-серия MOSFET-транзисторов

STripFET

Другое новое семейство полевых транзисторов фирмы STMicroelectronics - STripFET. Это низковольтные MOSFET-транзисторы с очень низкой величиной заряда затвора Qg. Для применения в высокочастотных схемах величина Qg играет более важную роль в минимизации потерь мощности, чем RDS ON. В этих целях использование STripFET-технологии более приемлемо, чем традиционной структуры кристалла или, например, Trench-технологии, предлагаемой азиатскими производителями. STripFET-технология представляет собой лучший компромисс между динамическими характеристиками, напрямую связанными с зарядом затвора, и потерями на проводимость (RDS ON).

Рисунок 3. STripFET2 в корпусе PowerSO-10 в синхронных понижающих преобразователях

Хороший пример применения новых MOSFET - это высокоэффективный DC/DC-конвертор для материнских плат десктопов и мобильных компьютеров. Наиболее популярная топология для таких применений - синхронный понижающий преобразователь.

Технология STripFET получила сво╦ дальнейшее развитие в новом поколении транзисторов STripFET2, разработанном с помощью специального быстрого термического диффузионного процесса, в результате которого ширина полосы отдельной ячейки структуры кристалла была уменьшена. Это привело к дальнейшему уменьшению и RDS ON. Новые изделия идентифицируются буквами "NF", например, STP80NF10.

В частности, фирма STMicroelectronics разработала ряд низковольтных (20, 30 В) транзисторов в корпусе PowerSO-10 для применения в синхронных понижающих преобразователях. По величине RDS ON эти транзисторы не имеют аналогов среди других производителей, например, STV160NF02L (20 В, 0,0016 Ом, 160 А) и STV160NF03L (30 В, 0,0021 Ом, 160 А).

Транзисторы нового поколения STripFET2 также выпускаются в корпусах ТО-220, D2PAK, DPAK и SO-8. Они наиболее применимы для высокочастотных DC/DC-конверторов для десктопов, мобильных компьютеров и телекоммуникационного оборудования.

PowerMESH IGBT

STMicroelectronics также предлагает новое поколение IGBT-транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором), разработанных с применением технологии PowerMESH, с успехом используемой в MOSFET-транзисторах. Основные преимущества новых IGBT транзисторов: ниже UСE SAT (напряжение насыщения КЭ), выше IC (ток коллектора), больше скорость переключения. Семейство IGBT-транзисторов с низким UСE SAT можно идентифицировать по суффиксу "S" в наименовании, например, STGD7NB60S. Зависимость UСE SAT от IC приведена на рисунке. Это семейство IGBT-транзисторов применяется на частотах до 1 кГц для управления различными низкочастотными моторами.

Рисунок 4. Зависимость UСE SAT от IC для IGBT-транзисторов

Следующее семейство IGBT-транзисторов разработано специально для электронного зажигания в автомобилях. Это IGBT-транзисторы с логическим уровнем входного сигнала, полностью защищ╦нные от перенапряжений по входу и выходу диодами Зенера. Такие приборы как STGB10NB37LZ, STGB20NB37LZ (корпус D2PAK), STGP10NB37LZ и STGP20NB37LZ (корпус ТО-220) представляют собой лучший выбор для систем зажигания, базирующихся на IGBT-транзисторах.

Готовится к выпуску так называемый Smart IGBT VBG15NB37, представляющий собой мощный IGBT-транзистор, полностью защищ╦нный по току, температуре и от выбросов напряжения по входу и выходу, совмещ╦нный с драйвером, позволяющим осуществить прямое управление от микроконтроллера.

Блок-схема Smart IGBT изображена на рисунке.

Рисунок 5. Зависимость UСE SAT от IC для IGBT-транзисторов

Третье семейство IGBT-транзисторов - это транзисторы с высокой скоростью переключения. Они идентифицируются по суффиксу "H" в наименовании, например STGD7NB60H. Эти изделия применяются на частотах до 120 кГц и идеальны для DC/DC-конверторов в прямоходовых, обратноходовых, полумостовых и мостовых топологиях схем источников питания и корректоров мощности.

Основные технические данные MOSFET-транзисторов ведущих производителей

В табл. 2 представлены основные технические характеристики MOSFET-транзисторов ведущих производителей: STMicroelectronics, Infineon, International Rectifier, Vishay, Toshiba и ON Semiconductor (Motorola) в наиболее распростран╦нных корпусах.

Таблица 2. Технические характеристики MOSFET-транзисторов

Из табл. 2 видно, что среди низковольтных полевых транзисторов превосходными характеристиками, кроме STMicroelectronics и Toshiba, обладают также транзисторы фирмы Vishay, (как, например, уникальные полевые транзисторы SUP75P05-08, SUP85N06-05, SUP85N10-10), но несколько большие сроки поставки и цены сводят на нет преимущества в технических характеристиках транзисторов, в то время как невысокие цены и доступность транзисторов STM повышают к ним интерес. В области высоковольтных полевых транзисторов превосходными техническими характеристиками выделяется 600-В семейство CoolMOS фирмы Infineon Technologies. Они обладают очень малым RDS ON и по статическим характеристикам сравнимы с IGBT-транзисторами, а по динамическим характеристикам значительно превосходят их, однако имеют несколько большие сроки поставки, чем у других производителей.

В заключение хочется сказать, что фирмы "Макро Тим" , и ╚БИС-электроник╩ осуществляют поставки полевых транзисторов таких фирм-производителей, как STMicroelectronics, Infineon Technologies, Vishay, Toshiba, Hitachi, Philips, ON Semiconductor, и Intersil (Harris).