Журнал "Новости Электроники", номер 15, 2009 год.Новое поколение MOSFET-транзисторов
Низковольтные MOSFET-транзисторы - одни из самых востребованных силовых полупроводниковых приборов. Благодаря малым потерям, простоте управления и отличному быстродействию, они незаменимы в каскадах преобразования и распределения постоянного напряжения компьютерной техники, телекоммуникационного и промышленного оборудования, а также портативной электронной техники. Известными новаторами в области производства низковольтных MOSFET-транзисторов являются компании International Rectifier, NXP, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor и Vishay. Конкуренцию данным компаниям теперь также составляет Texas Instruments, которая после поглощения в начале этого года компании CICLON Semiconductor Device обладает ассортиментом MOSFET-транзисторов, выполненных по инновационной технологии NexFET. Прежде компания Texas Instruments была известна, среди прочего, как поставщик интегральных схем ШИМ-контроллеров и драйверов. Теперь же, после добавления к выпускаемому ассортименту MOSFET-транзисторов, компания готова предложить полный комплект активных компонентов, необходимых для построения современного DC/DC-преобразователя (см. рисунок 1).
Рис. 1. Компоненты TI для построения DC/DC-преобразователей
Как известно, для изготовления MOSFET-транзисторов применяются две распространенных технологии: планарная и Trench. Первые планарные MOSFET-транзисторы были разработаны в Японии в начале 1970-х годов. Несколько позже, в 1976 году, компания Siliconix (в настоящее время собственность Vishay) представила первые в мире мощные MOSFET-транзисторы MOSPOWER, которые отличались от планарных вертикальным протеканием тока и наличием паза в структуре кристалла. Последняя особенность дала название технологии изготовления подобных транзисторов - Trench. Благодаря малой занимаемой кристаллом площади (что способствует повышению плотности мощности) и малому сопротивлению открытого канала RDS(ON) (что помогает снижению потерь), Trench-транзисторы полностью вытеснили планарные транзисторы из силовых коммутационных каскадов. Однако первые Trench-транзисторы обладали достаточно большим зарядом затвора (QG). Это приводило к повышенным потерям при коммутации и долгое время сдерживало возможности реализации высокоэффективных преобразователей напряжения, компактность размеров которых достигается за счет использования высоких частот преобразования (сотни килогерц - единицы мегагерц). Для преодоления данного недостатка большинство производителей выбрали путь оптимизации структуры и технологии изготовления MOSFET-транзисторов. В отличие от них, будучи еще самостоятельной, компания CICLON Semiconductor Device избрала иной путь. Она разработала абсолютно новую структуру MOSFET-транзисторов (см. рисунок 2), которые теперь входят в ассортимент продукции Texas Instruments под брендом NexFET. Новая технология уникальным образом сочетает преимущества планарных транзисторов и вертикального протекания тока. В результате они обладают как малым сопротивлением открытого канала, так и очень малым зарядом затвора. Эти особенности позволяют создавать более высококачественные преобразователи напряжения с высоким КПД преобразования в широком диапазоне нагрузок, малыми размерами и возможностью работы с малым заполнением импульсов. Кроме того, технология NexFET позволяет создавать одинаково высококачественные как n-канальные MOSFET-транзисторы, так и p-канальные.
Рис. 2. Эволюция структур мощных MOSFET-транзисторов
Ассортимент транзисторов NexFET приведен в таблице1.
Таблица 1. Ассортимент и основные характеристики транзисторов NexFET| Наименование | Канал | ID (TC=25°C), A | VDS, В | VGS, В | Типичное RDS(ON), мОм | Типичное QG, нКл (VGS = 4,5 В) | Типичное QGD, нКл | R qJC, °C/Вт | R qJA, °C/Вт | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VGS=10 В | 4,5 В | 2,5 В | 1,8 В | 1,5 В | |||||||||
| Одиночные транзисторы (в корпусе WLP 1x1) | |||||||||||||
| CSD23201W10 | P | 2,2 | 12 | 5 | — | 66,0 | 77,0 | — | 110,0 | 1,9 | 0,4 | 245 | 125 |
| Одиночные транзисторы (в корпусе WLP 1x1.5) | |||||||||||||
| CSD25301W1015 | P | 2,2 | 20 | 8 | — | 62,0 | 80,0 | — | 175,0 | 2,0 | 0,32 | 270 | 105 |
| Сдвоенные транзисторы с общим истоком (в корпусе WLP 1x1.5) | |||||||||||||
| CSD75301W1015 | P | 1,2 | 20 | 8 | — | 80,0 | 101,0 | 150,0 | — | 1,5 | 0,3 | 136 | 93 |
| Одиночные транзисторы (в корпусе QFN 3x3) | |||||||||||||
| CSD16411Q3 | N | 60 | 25 | 16 | 8 | 12 | — | — | — | 2,9 | 0,7 | 2,7 | 58 |
| CSD16409Q3 | N | 60 | 25 | 16 | 6,2 | 9,5 | — | — | — | 4,0 | 1,0 | 3,5 | 59 |
| CSD16406Q3 | N | 60 | 25 | 16 | 4,2 | 5,9 | — | — | — | 5,8 | 1,5 | 2,7 | 58 |
| CSD16323Q3 | N | 60 | 25 | 10 | — | 4,4 | — | — | — | 6,2 | 1,1 | 2,7 | 58 |
| CSD25401Q3 | P | 60 | 20 | 12 | — | 8,7 | 13,5 | — | — | 8,8 | 2,1 | 2,8 | 57 |
| Одиночные транзисторы (в корпусе QFN 5x6) | |||||||||||||
| CSD16412Q5A | N | 52 | 25 | 16 | 9,0 | 13,0 | — | — | — | 2,8 | 0,7 | 3,7 | 53 |
| CSD16410Q5A | N | 59 | 25 | 16 | 6,8 | 9,6 | — | — | — | 3,9 | 1,1 | 3,8 | 52 |
| CSD16404Q5A | N | 81 | 25 | 16 | 4,1 | 5,7 | — | — | — | 6,5 | 1,7 | 3,3 | 52 |
| CSD16413Q5A | N | 100 | 25 | 16 | 3,1 | 4,1 | — | — | — | 9,0 | 2,5 | 2,6 | 51 |
| CSD16403Q5A | N | 100 | 25 | 16 | 2,2 | 2,9 | — | — | — | 13,3 | 3,5 | 1,8 | 51 |
| CSD16407Q5 | N | 100 | 25 | 16 | 1,8 | 2,5 | — | — | — | 13,3 | 3,5 | 1,1 | 51 |
| CSD16414Q5 | N | 100 | 25 | 16 | 1,5 | 2,1 | — | — | — | 16,6 | 4,4 | 1,1 | 50 |
| CSD16401Q5 | N | 100 | 25 | 16 | 1,3 | 1,8 | — | — | — | 21,0 | 5,2 | 1,1 | 50 |
| CSD16322Q5 | N | 97 | 25 | 10 | — | 4,6 | — | — | — | 6,8 | 1,3 | 2,4 | 50 |
| CSD16321Q5 | N | 100 | 25 | 10 | — | 2,1 | — | — | — | 14 | 2,5 | 1,1 | 48 |
| CSD16325Q5 | N | 100 | 25 | 10 | — | 1,7 | — | — | — | 18 | 3,5 | 1 | 50 |
Здесь представлены p- и n-канальные транзисторы в корпусах двух типов (см. рисунок3). P-канальные транзисторы, как известно, предназначены для построения коммутаторов, включенных в разрыв положительной линии питания. В современной электронике такие устройства находят широкое применение в каскадах коммутации и защиты батарейного источника, в зарядных устройствах, а также в каскадах коммутации нагрузок общего назначения. На основе p-канальных транзисторов также возможна реализация простых понижающих DC/DC-преобразователей и линейных стабилизаторов напряжения.
Рис. 3. Внешний вид и расположение выводов транзисторов NexFET
В ассортименте NexFET имеется всего четыре p-канальных транзистора. Чтобы оценить преимущества технологии NexFET для построения p-канальных транзисторов, обратимся к сравнению с лучшими конкурирующими решениями. Так, например, ближайшие аналоги транзистора CSD23201W10, которые при напряжении управления затвором 4,5В обладают близким к 66мОм сопротивлением открытого канала, в том числе IRLML6402 (International Rectifier) и Si8401DB (Vishay), характеризуются зарядом затвора 8 и 11нКл соответственно. Помимо существенно улучшенных рабочих характеристик, транзисторы NexFET также отличаются меньшей занимаемой площадью (например, занимаемая площадь упомянутого Si8401DB составляет 1,6х1,6= 2,56 мм2 против 1мм2 транзистора CSD23201W10). Если же выбрать за основу для сравнения типоразмер корпуса, то транзисторы NexFET будут превосходить конкурентов не только по заряду затвора, но и по сопротивлению канала. В частности, транзистор Si8461DB (Vishay) в корпусе MICRO FOOT 1x1 при напряжении управления затвором 4,5В характеризуется сопротивлением открытого канала 100мОм и зарядом затвора 9,5нКл (против 66мОм и 1,9нКл CSD23201W10 соответственно). Более серьезный конкурент для CSD23201W10 был представлен компанией Fairchild в августе текущего года. Данный транзистор (FDZ371PZ) размещен в корпусе аналогичного CSD23201W10 типоразмера 1х1мм и характеризуется более низким RDS(ON) (55мОм). Тем не менее, по параметру QG (12нКл) FDZ371PZ существенно отстает от своего конкурента. В ассортименте NexFET также имеется один сдвоенный p-канальный транзистор, который предоставляет возможность дальнейшей миниатюризации каскадов с многоканальной коммутацией напряжений. Замыкает линейку p-канальных приборов сильноточный транзистор CSD25401Q3. Если взять за основу для сравнения типоразмер корпуса этого транзистора (3х3мм), то выяснится, что он не имеет аналогов. Например, если обратиться к каталогу International Rectifier, то окажется, что даже в типоразмере 3х6,4мм лучший транзистор (IRF7701) характеризуется RDS(ON)=11мОм и QG=69нКл (против 8,7 мОм и 8,8 нКл CSD25401Q3). Таким образом, превосходство p-канальных транзисторов NexFET по комплексному показателю качества RDS(ON) QG можно ожидать в пределах 4...10 раз.
В группе n-канальных транзисторов NexFET представлены изделия в двух типоразмерах корпуса QFN. Здесь также можно выделить две подгруппы: CSD163хх и CSD164хх. Транзисторы CSD163хх отличаются тем, что они оптимизированы для напряжения управления затвором 5 В. Целевыми областями применения всех данных транзисторов являются понижающие низковольтные DC/DC-преобразователи, в том числе - с каскадом синхронного выпрямления. Такие преобразователи широко применяются для построения локализованных к нагрузке импульсных стабилизаторов напряжения (POL-стабилизаторы) в компьютерной технике и телекоммуникационном оборудовании. Транзисторы NexFET обладают значениями RDS(ON) на уровне лучших промышленных аналогов и при этом существенно превосходят их по значениям QG (см. таблицу 2).
Таблица 2. Сравнение n-канальных транзисторов NexFET с аналогичными новинками других производителей| Наименование конкурента (дата анонсирования) | Производитель (технология) | Описание | Аналог NexFET | Описание |
|---|---|---|---|---|
| IRFH3707 (7 мая 2009 г.) (7 мая 2009 г.) | International Rectifier (Trench HEXFET) | Корпус: QFN (3x3 мм) RDS(ON) = 14,5 мОм QG = 5,4 нКл | CSD16411Q3 | Корпус: QFN (3x3 мм) RDS(ON) = 12 мОм QG = 2,9 нКл |
| STL150N3LLH6 (26 марта 2009г.) (26 марта 2009г.) | STMicroelectronics (STripFET™ VI DeepGATE™) | Корпус: PowerFLAT (5x6 мм) RDS(ON) = 2,5 мОм QG = 40 нКл | CSD16407Q5 | Корпус: QFN (5x6 мм) RDS(ON) = 2,5 мОм QG = 13,3 нКл |
| FDMS7650 (3 сентября 2009 г.) (3 сентября 2009 г.) | Fairchild (PowerTrench®) | Корпус: Power 56 (5x6 мм) RDS(ON) = 1,1 мОм QG = 63 нКл | CSD16321Q5 | Корпус: QFN (5x6 мм) RDS(ON) = 1,7 мОм QG = 18 нКл |
Данное превосходство открывает широкие возможности совершенствования понижающих DC/DC-преобразователей. Во-первых, частота преобразования, которая совместно с QG определяет потери от коммутации, может быть повышена как минимум вдвое без ухудшения КПД преобразования. Убедиться в этом поможет рисунок 4, где сравниваются суммарные потери мощности транзисторов NexFET и обычных MOSFET-транзисторов, которые работают в одинаковых условиях в составе понижающего DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямлением.
Рис. 4. Сравнение потерь мощности (Vвх= 12 В, Vвых= 1,3 В, Iвых= 25 A, Lвых= 0,3 мкГн, TA= 25°C)
В свою очередь, рост частоты преобразования способствует существенному снижению размеров выходного LC-фильтра и стоимости образующих его компонентов. Во-вторых, простой заменой транзистора на NexFET без изменения частоты преобразования можно добиться снижения потерь и, как следствие, повышения КПД преобразования во всем диапазоне нагрузок. И, наконец, в-третьих, благодаря более эффективной работе, транзисторы NexFET подвержены меньшему нагреву, благодаря чему упрощается управление тепловыми режимами конечного изделия и повышается его надежность.
Заключение
Транзисторы NexFET обладают значениями RDS(ON), которые близки к лучшим промышленным аналогам, но при этом существенно превосходят их по значениям QG. Данное превосходство можно назвать настоящим прорывом в улучшении рабочих характеристик MOSFET-транзисторов, который позволит существенным образом улучшить эксплуатационные характеристики каскадов преобразования напряжения, в том числе занимаемую ими площадь, тепловые режимы, эффективность преобразования, надежность и др. По ожиданиям производителя, транзисторы NexFET позволят уверенно преодолеть уровень частоты преобразования в 1 МГц при работе с сильноточной нагрузкой и с малым заполнением импульсов.
Еще один прорыв, связанный с технологией NexFET, заключается в возможности изготовлении комплементарных пар транзисторов с равновысокими рабочими характеристики (прежде p-канальные транзисторы обладали несколько худшими рабочими характеристиками по сравнению с n-канальным из одной комплементарной пары).
В будущем на основе технологии NexFET компания TI планирует создать завершенные решения DC-DC-преобразователей. Компания также планирует оптимизировать линейку ШИМ-контроллеров с учетом совместной работы с транзисторами NexFET [1].
Более детальная информация по транзисторам NexFET доступна по ссылке www.ti.com/mosfet.
Литература
1. Texas Instruments&CICLON Semiconductor: A powerful combination//Brochure, lit. num. SLIY003, Texas Instruments, 2009 - 2 p.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: power.vesti@compel.ru
| Ваш комментарий к статье | ||||
