Кристалл силового МОП-транзистора характеризуют два основных показателя качества - удельное сопротивление канала
R x AA (произведение сопротивления открытого канала на площадь активной зоны ячейки), характеризующее компактность и цену кристалла, и комплексный показатель потерь R x Qg (произведение сопротивления открытого канала на заряд затвора), учитывающий уровень потерь проводимости и потерь переключения. Эволюция этих параметров во времени у 30-вольтовых N-канальных МОП-транзисторов IR представлена на рис. 1.

Рис. 1. Эволюция показателей качества 30 вольтового MOSFET

С 2000 г. было освоено серийное производство первого поколения Trench FET IR (Gen8), что позволило за короткий срок увеличить компактность кристалла и снизить потери в несколько раз. С 2002 по 2005 гг компанией внедрены более совершенные технологии нового поколения (Gen 10.52 и 10.55). Разработав к 2007 г. новую низковольтную технологию Trench FET Gen10.59, компания достигла цели создания кристаллов со сниженной ценой при несколько более высоких технических характеристиках. Это позволило создать новые семейства МОП-транзисторов с более высокими характеристиками и более низкой ценой чем у аналогов. Благодаря этим преимуществам новые приборы смогли стать универсальной заменой для широкой номенклатуры приборов предыдущих поколений и аналогов других производителей.

Новые 30-вольтовые транзисторы поколения 10.59 отличаются как низким сопротивлением канала, так и низким зарядом затвора. Эти особенности с учетом пониженной цены (из-за более компактного кристалла) делают их идеальными ключевыми приборами для применения в синхронных выпрямителях понижающих DC/DC-конверторов, широко распространенных в компьютерном и телекоммуникационнном оборудовании. Низкие потери проводимости способствуют повышению КПД и тепловых режимов конвертора при полной нагрузке, а низкие потери переключения помогают достичь высокого КПД даже при малых нагрузках. Новые транзисторы производятся в наиболее популярных корпусах для поверхностного монтажа SO-8 и D-Pak. Их номенклатура представлена в таблице 1.

Транзисторы в корпусе D-Pak имеют логический уровень управления затвором. Благодаря тому, что новые транзисторы превышают по показателю качество/цена транзисторы предыдущих поколений IR и транзисторы других производителей, они являются универсальной заменой для широкой номеклатуры аналогов. Например, транзистор IRF8736PBF заменяет десять типономиналов транзисторов IR и около 30 типономиналов транзисторов STMicroelectronics, Fairchild, Renesas, Infineon, Siliconix Vishay. За счет этого появляется возможность провести эффективную унификацию схем источников питания при модернизации оборудования и сократить перечень применяемых транзисторов.

МОП-транзисторы, изготовленные по этой технологии, имеют столько преимуществ, что они в настоящее время доминируют в устройствах питания компьютерного оборудования и получили широкое распространение в источниках питания телекоммуникационного оборудования. Преимущества транзисторов DirectFET основаны на новой технологии корпусирования с применением металлической крышки-вывода стока и специфического кристалла транзистора с двусторонним расположением выводов затвора, истока и стока (рис. 2).

Рис. 2. Конструкция DirectFET

В транзисторах DirectFET отсутствует разварка кристалла и нет пластмассового корпуса. Благодаря этому преимуществами DirectFET являются:

Эффективность корпуса транзистора определяется отношением площадей кристалла и корпуса транзистора. При одинаковой площади кристалла транзисторы DirectFET имеют минимальную площадь и высоту. На рис. 3 представлено сравнение размеров корпусов SO-8, DirectFET типоразмера М (средний типоразмер) и D-Pak.

Рис. 3. Сравнение размеров корпусов для поверхностного монтажа

DirectFET "M" при сравнимой с SO-8 площади занимает на 60% меньший объем. Он имеет на 54% меньшую площадь чем D-Pak, но в него можно поместить кристалл такого же размера. Малый корпус DirectFET "S" занимает такую же площадь, как корпус TSSOP-8 (объем меньше на 44%) и на 40% меньшую площадь, чем корпус SO-8. Перспективный корпус большого типоразмера DirectFET "L" занимает площадь на 10% меньше, чем у D-Pak и на 63% меньше, чем у D2Pak, но при этом в нем можно разместить кристалл большей площади, чем в корпусе D2Pak. Его масса почти вдвое ниже, чем у D-Pak и в 6 раз ниже, чем у D2Pak. Все типы корпусов DirectFET имеют одинаковую и минимальную среди корпусов для поверхностного монтажа высоту 0,7 мм.

В транзисторах DirectFET электрический ток протекает по кратчайшему расстоянию - через кристалл и крышку корпуса (рис. 4). У транзисторов в корпусе SO-8, D-Pak и в разновидностях корпусов на их основе ток, кроме того, протекает через проволоки разварки кристалла и выводы корпуса.

Рис. 4. Сравнение электрического сопротивления корпусов транзисторов

Электрическое сопротивление корпуса DirectFET ниже 0,1 мОм, что более чем в 14 раз ниже, чем у классического SO-8 и в 3,5...12 раз ниже, чем у разновидностей корпусов на основе SO-8, D-Pak. Оно гораздо ниже электрического сопротивления кристалла при открытом канале.

У транзисторов в пластмассовых корпусах из-за большого термосопротивления пластика тепло эффективно можно отвести от кристалла только через выводы корпуса. У транзисторов в корпусе SO-8 термосопротивление между кристаллом и печатной платой составляет 20°С/Вт, а сопротивление передачи тепла от кристалла на верхнюю поверхность корпуса - 55°С/Вт. У транзисторов в корпусах DirecFET термосопротивление кристалл-печатная плата составляет всего 1°С/Вт, а термосопротивление кристалл-поверхность корпуса 3°С/Вт. Температура корпуса DirectFET работающего транзистора может быть ниже вплоть до разницы в 50°С, чем у корпуса SO-8. Благодаря низкому термосопротивлению корпуса DirectFET способны рассеивать гораздо более высокую мощность, чем корпуса для поверхностного монтажа других типов. Тепло с поверхности DirectFET можно эффективно отвести обдувом, теплопроводящей пленкой или обдуваемым радиатором.

Из-за отсутствия проволок разварки кристалла корпуса DirectFET имеют самую низкую среди корпусов паразитную индуктивность. Она не превышает 5 нГн на частотах до 5 МГц, что втрое ниже, чем у SO-8, в 5 раз ниже, чем у D-Pak и в 10 раз ниже, чем у D2Pak (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение паразитной индуктивности корпусов

Низкая паразитная индуктивность обеспечивает высокое качество переходных процессов в режимах переключения транзистора и возможность работы на высоких частотах ШИМ .

На рис. 6 для сравнения представлены осциллограммы напряжения «сток-исток» транзисторов в корпусе DirectFET и SO-8 при коммутации тока 30 А на частоте 500 кГц.

Применение транзисторов в корпусах DirectFET дает возможность заменить до трех параллельно включенных транзисторов в корпусе SO-8 или до двух транзисторов в корпусе D-Pak, вдвое поднять объемную плотность энергии, резко снизить температуру в преобразователе. Номенклатура выпускающихся транзисторов в корпусах DirectFET перекрывают диапазон напряжений 20...200 В. Это позволяет применять их в преобразовательных устройствах со всеми номиналами напряжения батарейного питания и напряжений телекоммуникационных шин. Объединив преимущества технологии корпусирования DirectFET и технологии TrenchFET Gen10.59, компания IR приступила к началу производства нового поколения МОП-транзисторов DirectFET-2. Обновление номенклатуры коснулось диапазона напряжений «сток-исток» 25...30 В. Параметры новых транзисторов DirectFET представлены в таблице 2.

Транзисторы нового поколения производятся в тех же корпусах, что позволяет произвести модернизацию и поднять КПД преобразования без изменения печатной платы.

Ультранизкое сопротивление открытого канала и низкий заряд затвора обеспечивают достижение КПД преобразования выше 90% в одно- и многофазных DC/DC-конверторах, применяемых в компьютерной технике. Благодаря компактности и ультранизким потерям перечень приложений транзисторов DirectFET постоянно расширяется. Помимо перечисленных выше приложений они нашли применение в высококачественных аудиоусилителях, в инверторах солнечных батарей, приводах с батарейным питанием, применяемых в электроинструменте.

Транзисторы в корпусе PQFN (силовой QFN) занимают промежуточное положение по эффективности между транзисторами в стандартных корпусах и в корпусах DirectFET. Корпус PQFN (рис. 7) занимает такую же площадь, как и SO-8, но имеет ряд преимуществ.

Рис. 7. Корпус PQFN

В нем можно разместить более крупный кристалл. Выводы стока и истока имеют большую площадь. Термосопротивление между кристаллом и выводами существенно ниже, чем у SO-8 (2,8°С/Вт). При этом цена корпуса ненамного выше. Поэтому транзисторы в этом корпусе могут быть использованы в преобразовательных устройствах с более высокими характеристиками, чем при применении транзисторов в корпусе SO-8 и с более низкой ценой, чем при применении DirectFET. Характеристики транзисторов в корпусе PQFN с кристаллами поколения Gen10.59 представлены в таблице 3.

Применение транзисторов в корпусе PQFN в синхронных выпрямителях понижающих DC/DC-конверторов обеспечивает понижение температуры ключа синхронного выпрямления на величину до 30°С и температуры управляющего ключа на 10°С, а также повышение КПД на 2%. Дальнейшее развитие номенклатуры полевых транзисторов IR предусматривает дополнение ее новыми транзисторами на диапазон напряжений 40...200 В с кристаллами новых поколений, в новых типоразмерах корпусов PQFN и DirectFET а также транзисторами, предназначенными для применения в автоэлектронике и индустриальных приложениях.

Ответственный за направление в КОМПЭЛе - Людмила Горева