Силовые MOSFET для транспортных средств нового поколения


PDF версия

В статье рассказывается о новом принципе построения силовых MOSFET компании International Rectifier. Приборы семейства DirectFet2, предназначенные для применения в DC/DC-преобразователях гибридных транспортных средств, обеспечивают высокие показатели надёжности, эффективности и удельной мощности, что делает процесс электрификации автомобилей более простым и успешным.

В последние полтора года автомобильная индустрия развивается особенно продуктивно и динамично. Произошло много событий: слияния и приобретения компаний, выпуск новых и остановка производства классических моделей и даже банкротство одной из компаний «большой тройки». К счастью, пока биржевые маклеры и банкиры подсчитывали убытки, на свет появились электрические автомобильные системы нового поколения, которые ориентированы на быстродействие и эффективность. Эти инновационные системы позволяют снизить количество потребляемого автомобилем топлива и значительно сократить объём выхлопных газов.

Однако построение подобных систем поставило новые задачи перед специалистами в области силовой электроники, поскольку их реализация требует развития полупроводниковых технологий нового поколения. Стоит отметить, что если технология создания MOSFET претерпевала значительные изменения в течение последних 40 лет, то способ корпусирования оставался неизменным. Формовка, проводные соединения и технология lead frame (рамка с внешними выводами) являются основными преградами для достижения наилучших показателей традиционных MOSFET. Несмотря на то, что рабочая частота данных транзисторов становится всё выше и выше, паразитная индуктивность, электрическое и тепловое сопротивление пластикового корпуса по-прежнему остаются сдерживающими факторами.

Новый принцип

С учетом названных недостатков новый принцип построения должен совместить последнее поколение AEC-Q101 Trench MOSFET с новой уникальной технологией их корпусирования. Линейка продуктов серии Automotive DirectFET®2 компании International Rectifier, базирующаяся на запущенной 8 лет назад платформе DirectFET, направлена на снижение теплового и электрического сопротивления и паразитной индуктивности, характерных для традиционных пластиковых корпусов.

Минимальное тепловое сопротивление

Семейство DirectFET2 обеспечивает двустороннее охлаждение (см. рис. 1), что позволяет существенно снизить сопротивление полного теплового пути. Таким образом достигается снижение рабочих температур, уменьшение площади теплоотводящего элемента и увеличение эффективности прибора.

Рис. 1. Двустороннее охлаждение

Минимальное паразитное сопротивление

Основной составляющей паразитного сопротивления Rds(on) являются проводные соединения внутри пластикового корпуса, отличающие технологию lead frame. Приборы семейства DirectFET2 не содержат проводных соединений, вместо них установлены металлические площадки, соединённые напрямую с кристаллом, поэтому паразитное сопротивление корпуса составляет всего 150 мкОм (при нескольких мОм у традиционных корпусов). В результате значительно снижается уровень потерь и возрастает надёжность прибора. Скин-эффект на высоких частотах также становится менее значительным благодаря устранению проводных соединений. Это позволяет иметь низкое значение Rds(on) даже в МГц-диапазоне, что делает семейство DirectFET2 идеальным для применения в DC/DC-преобразователях гибридных транспортных средств.

Минимальная паразитная индуктивность

С устранением проводных соединений существенно снижается и паразитная индуктивность. Мало кто осознаёт риск, связанный с наличием паразитной индуктивности, в лучшем случае это ведёт к снижению эффективности работы прибора, а в худшем — к его выходу из строя и прекращению работы всего устройства. Транзисторы семейства DirectFET2 позволяют отказаться от внешних ограничительных цепей, поскольку внутренняя индуктивность их корпуса составляет всего 0,6 нГн по сравнению с 5 нГн у корпуса D2Pak (см. рис. 2). В результате помимо элегантного дизайна достигнуто существенное снижение потерь, уменьшение размеров и стоимости прибора.

Рис. 2. Снижение паразитной индуктивности и электромагнитных помех

У нового корпуса есть ещё одно скрытое преимущество — маленький размер посадочного места (за счёт увеличения отношения объема используемого кремния к размерам корпуса). На рисунке 3 продемонстрированы эффективность и размер посадочного места приборов семейства DirectFet2 по сравнению с традиционными пластиковыми корпусами. Самый маленький типоразмер корпуса обеспечивает наименьшее значение сопротивления Rds(on) по сравнению с корпусами Micro и TSOP8 при идентичных размерах посадочного места. Средний корпус DirectFet2 содержит кристалл таких же размеров, что и DPak, однако занимает места на печатной плате не больше, чем корпус 5×6 PQFN. Новый большой корпус занимает на 60% меньше места на печатной плате по сравнению с D2Pak, однако содержит на 30% больший кристалл.

Рис. 3. Сравнение корпусов

Не менее важны технологичность производства и надёжность разрабатываемого прибора. Простота изготовления и конструкции нового транзистора идеально подходят для автомобильной индустрии, где предъявляются высокие требования к надёжности. Это позволяет использовать их как стандартные SMD-компоненты. Новый продукт AEC-Q101 успешно прошёл испытания в автоклаве и позволил разработчикам заниматься построением автомобильных систем нового поколения.

Заключение

Новое семейство DirectFet2 имеет низкое сопротивление Rds(on) заряда затвора Qg и паразитной индуктивности L, обеспечивает работу в диапазоне напряжений 40…250 В, и может найти успешное применение в широком диапазоне приложений от аудиосистем класса D до рулевого привода с усилителем, инверторов, DC/DC-преобразователей, устройств контроля доступа и многих других. По сравнению с традиционными решениями новые приборы семейства DirectFet2 позволяют добиться высоких показателей надёжности, эффективности и удельной мощности, которые делают процесс электрификации автомобилей более простым и успешным.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *