Спадщина IR потужні МОП-транзистори HEXFET

Оцінюючи масштаби використання МОП-технологій у сучасній електронній техніці, зараз важко уявити, наскільки драматичною була історія їх становлення, адже навіть через 30 років після виходу наприкінці 1920-х років перших теоретичних робіт фізика Джуліуса Лілінфельда польовий транзистор можна було спостерігати лише як лабораторний курь. . Саме так, як лабораторний курйоз, з'явився перший МОП-транзистор з металевим затвором дослідника з Bell Labs доктора Джона Аталла. Однак якщо на розробку практично придатних малопотужних МОП-транзисторів знадобиться лише кілька років, то до перших потужних МОП-транзисторів пройде ще 16 років. Перші у світі потужні МОП-транзистори, виконані за технологією MOSPOWER®, представила компанія Siliconix у 1976 році, а трохи пізніше, у 1979 році, компанія International Rectifier запропонувала альтернативну МОП-структуру для побудови потужних транзисторів, яка отримала назву HEXFET®. Так сталося, що саме ці дві легендарні компанії визначили розвиток потужних МОП-транзисторів у наступні десятиліття, і саме вони зараз тісно пов'язані з іншою не менш відомою компанією Vishay. У 2005 році було завершено повне приєднання Siliconix до Vishay, розпочате ще в 1998 році, а в 2007 році Vishay придбала виробничу лінію силових напівпровідників International Rectifier, до якої увійшли й популярні транзистори HEXFET. МОП-транзистори Vishay з виробничої лінії IR представлені малюнку 1.

потужні

Мал. 1.Корпуса МОП-транзисторів Vishay з виробничої лінії International Rectifier

Структура HEXFET передбачає організацію в одному кристалі тисяч паралельно включених МОП-транзисторних осередків, що утворюютьшестикутник. Таке рішення дозволило суттєво знизити опір відкритого каналу RDS(on) і уможливило комутацію великих струмів. З погляду класифікації польових транзисторів HEXFET ставляться до польовим транзисторам з індукованим каналом, тобто. працюють у режимі збагачення каналу неосновними носіями, що призводить до інверсії його провідності. Такі транзистори відкриваються лише при подачі певної напруги між затвором та витоком. Полярність цієї напруги залежить від типу провідності каналу у відкритому стані. У n-канальних транзисторів ця напруга позитивна, а у p-канальних - негативна. Напруга між затвором та витоком, здатне викликати протікання струму між стоком та витоком називається пороговим (VGS(TH)).

Зазвичай при використанні комутаторів, p-канальні транзистори включаються в розрив позитивної лінії живлення, при цьому струм через них витікає в навантаження, а n-канальні - в розрив негативної (або загальної) лінії живлення і струм в них витікає з навантаження. Однак, зважаючи на те, що p-канальні транзистори зіставного класу з n-канальними зазвичай більш дорогі і асортимент їх набагато гірший, у ряді застосувань загальноприйнято використовувати n-канальні і для комутації в позитивній лінії живлення. Для цього необхідно стік транзистора з'єднати з позитивним живленням, витік - з навантаженням і, найскладніше, створювати позитивну напругу, що відпирає між затвором і «плаваючим» при комутації витоком. Для вирішення останнього завдання випускаються спеціальні "high-side" драйверні каскади. Описаний варіант використання n-канальних транзисторів широко використовується в напівмостових та повномостових силових каскадах регульованих електроприводів та імпульсних перетворювачів напруги.

Упридбаний Vishay асортимент HEXFET-транзистори увійшли дискретні транзистори n- і p-типу в різних корпусах, в т.ч. ізольованих та для поверхневого монтажу (SMT). Транзистори охоплюють широкий діапазон напруги (до 1000 В) і струму (до 70 А), і можуть використовуватися у всіх типових для потужних МОП-транзистори застосування. До них відносяться:

  • комутатори в імпульсних джерелах живлення та DC/DC-перетворювачах, у т.ч. каскади синхронного випрямлення (як альтернатива діоду Шоттки з меншими втратами потужності) та каскади корекції коефіцієнта потужності;
  • схеми комутації та розподілу електроживлення;
  • схеми вирівнювання струмів паралельно-працюючих каналів;
  • схеми захисту батарейних джерел від протікання реверсного струму; зарядні пристрої; схеми балансування багатоелементних акумуляторних батарей;
  • схеми керування електродвигунами;
  • підсилювачі потужності звукових частот;
  • лінійні стабілізатори напруги, зокрема. LDO-типу;
  • потужні джерела струму;
  • ключі загального призначення (наприклад, для керування потужним світлодіодним навантаженням, електромагнітними реле, електромагнітами тощо).

При виборі HEXFET-транзистора за напругою і струмом важливо розуміти, що наведені в довідкових таблицях і документації максимальна робоча напруга (напруга пробою сток-виток V(BR)DSS)) і максимальний струм стоку ID носять класифікаційний характер і не можуть бути остаточною основою вибору транзистора Значення V(BR)DSS) характеризує гарантовану напругу, при якому не настане електричного пробою транзистора, а значення максимального струму ID показує, до якої величини струму при заданій напрузі затвор-витік та температурі корпусу температура переходу кристала будеперебувати у допустимих межах. Ці дані можна використовувати як орієнтир, а остаточне рішення про вибір транзистора необхідно приймати тільки керуючись графіками області безпечної роботи транзистора (ОБР) для статичного або імпульсного режиму роботи, що наводяться в документації. Наприклад, транзистор IRFB11N50A класифікований на максимальну напругу 500 В і струм 11 А, але навіть в імпульсному режимі (тривалість провідного стану 10 мс) при максимальній напрузі він здатний надійно комутувати набагато менший струм (менше 1 А). Величина струму стоку може бути обмежена максимальною температурою кристала. Щоб перевірити, чи є це обмеження, необхідно виконати тепловий розрахунок.

де TJ — температура переходу, TA — температура навколишнього середовища, PD — потужність, що розсіюється транзистором, RqJA — тепловий опір «перехід — навколишнє середовище».

Величина розсіюваної потужності в статичних і низькочастотних комутаторах переважно залежить від втрат провідності каналі, тобто. PD = ID 2 ЧRDS(on)ЧD, де RDS(on) - опір каналу у відкритому стані, а D - коефіцієнт заповнення імпульсів (для статичного комутатора D = 1). У більш високочастотних застосуваннях у розсіюваної потужності також з'являється динамічна складова, яка залежить від частоти комутації і величини заряду QG, від якого залежить, як довго відбуватиметься включення і відключення транзистора, і вихідної ємності COSS. Докладніше методика розрахунку втрат потужності в МОП-транзисторах вже розглядалася на сторінках НЕ [1], тому деталі тут опускаються. Якщо отримане значення TJ виявиться вище гранично допустимого для обраного транзистора значення або значення, обумовленого технічним завданням, необхідновиконати одну з таких дій аж до дотримання цієї умови:

  • знизити струм стоку, наприклад, паралельним включенням транзисторів;
  • вибрати транзистор з нижчими RDS(on) і, за необхідності, QG/COSS;
  • вибрати подібний транзистор, але в корпусі з поліпшеними теплорозсіюючими властивостями (наприклад, TO-247 замість ТО-220);
  • застосувати тепловідведення.

МОП-транзистори в корпусах для поверхневого монтажу

МОП-транзистори в SMT-корпусах є ідеальними кандидатами для використання у застосуваннях, де теплорозсіювальних властивостей корпусу та друкованої плати буде достатньо для дотримання допустимого теплового режиму транзистора. У придбаному асортименті Vishay транзисторів є прилади в SMT корпусах трьох типів: D-PAK, D2-PAK і SOT-223. Зорієнтуватись у виборі транзисторів допоможе таблиця 1.

Таблиця 1.Потужні МОП-транзистори Vishay з виробничої лінії International Rectifier у SMT-корпусах