Силовые компоненты корпорации MICROSEMI

В статье приведена краткая инфор­мация о компонентах, выпускаемых корпорацией Microsemi и предназначен­ных для применения в источниках пи­тания, сварочном оборудовании, систе­мах управления электродвигателями, автомобильной электронике, высоко­частотных устройствах большой мощ­ности и для специальных применений, требующих компонентов повышенной надежности.

В. Макаренко

Американская корпорация Microsemi Cor­poration (ранее Advanced Power Technology — APT) специализируется на выпуске интеграль­ных схем и дискретных устройств повышен­ной надежности. Долгое время корпорация Mi­crosemi была известна как производитель электронных компонентов для военной и аэро­космической области, но сегодня она транс­формировалась во всемирно известного постав­щика высококачественных аналоговых, циф­ро-аналоговых интегральных схем, дискрет­ных полупроводниковых приборов и силовых модулей, предназначенных для управления мощностью, построения источников питания, защиты электронного и электротехнического оборудования от кратковременных скачков напряжения, а также для построения трактов обработки и формирования мощных ВЧ-сигна- лов.

Основные целевые рынки корпорации Mi­crosemi — мобильная связь, ноутбуки и мони­торы, медицинская техника, оборонная, аэро­космическая и автомобильная отрасли. Важ­ным достижением корпорации Microsemi ста­ло завоевание лидирующих позиций в области систем управления электропитанием для под­светки экранов автомобильных систем GPS, портативных компьютеров, компьютерных мониторов и жидкокристаллических телеви­зоров. Запатентованная компанией техноло­гия RangeMAX^® обеспечивает управление флуоресцентными лампами с холодным като­дом в условиях эксплуатации при экстремальных температурах. Силовые модули Microsemi (APT) соответствуют жестким требованиям ав­томобильной электроники.

Среди последних разработок корпорации Microsemi — серия современных усилителей мощности для работы в мощных импульс­ных радарах L-диапазона. В серию входят модули трех типов: 1214-800P, 1214-700P1 и 1214-550P. Вся серия модулей позволяет уменьшить габаритные размеры разрабаты­ваемых устройств, снизить сроки разработ­ки сложных систем. Кроме этого, конструк­ция модулей, соответствующих классу plug-and-play, позволяет применять их без дополнительной настройки и согласования импедансов.

Рис. 1. Зависимость типа корпуса от параметров силовых компонентов

Microsemi предлагает широкий ассорти­мент компонентов для силовой электроники, работающих на частотах от 10 кГц до 1 МГц, — это MOSFET (МОП-транзисторы) и FREDFET (МОП-транзисторы со встроенным диодом), транзисторы MOSFET и FREDFET 8, 7 и 5 по­колений (MOS8, MOS7 и MOS5) с низкими по­терями, транзисторы MOSFET COOLMOS, IGBT (биполярные транзисторы с изолирован­ным затвором), FRED (эпитаксиальные диоды с малым временем восстановления), сверх­быстродействующие (Ultrafast) диоды со средней точкой и общим анодом, полумосты, сдвоенные выпрямительные диоды, высоко­вольтные диоды Шоттки, супрессоры, IGBT-, MOSFET-модули, диодные модули и др. Кроме того, корпорация выпускает мощные ВЧ-компоненты, предназначенные для работы в диа­пазоне частот от 1 МГц до 4 ГГц, биполярные и LDMOS-транзисторы для авиационной элект­роники и радиолокации, микроволновые тран­зисторы для устройств СВЧ- и УВЧ-связи, те­левидения и радиовещания, общего примене­ния и др. Полный перечень компонентов, вы­пускаемых корпорацией, можно найти в [1, 2].

Корпорация Microsemi использует целый ряд корпусов, которые позволяют размещать в них как дискретные компоненты, так и моду­ли для любых промышленных применений. На рис. 1 приведены некоторые примеры раз­мещения компонентов в корпусах, тип кото­рых зависит от коммутируемой мощности.

Корпорация Microsemi постоянно ведет ра­боту над усовершенствованием конструкции корпусов. Одной из ее разработок является се­рия низкопрофильных корпусов SP (рис. 2),

Рис. 2. Низкопрофильные корпуса серии SP (в скобках указана высота корпуса)

позволяющих уменьшить габариты и массу устройств, в которых они используются. На­пример, корпус SP6-P высотой всего 12 мм (для сравнения, высота корпуса D33 составляет 30 мм) может заменить шесть корпусов SOT-227 и требует для крепления всего четырех винтов (36 винтов для крепления проводов и корпусов SOT-227). Кроме того, индуктивность выводов этого корпуса не превышает 5 нГн. В таких корпусах можно соединять параллельно не­сколько выводов, что позволяет сделать их индуктивность еще ниже. Как следствие, сни­жаются кондуктивные помехи и помехи пе­реключения в сравнении с устройствами, вы­полненными в других корпусах.

Корпорация Microsemi разработала корпус для поверхностного монтажа с большой пло­щадью контакта с теплоотводом (PLAD), рассчи­танный на размещение устройств с выходной мощностью до 30 кВт (рис. 3). В таких корпусах выпускаются диоды Шоттки (15…200 В/150 А), выпрямительные диоды (10.1000 В/200 А), IGBT-транзисторы и супрессоры. Например, супрессор с выходной мощностью 15 кВт в импульсе размещается в корпусе площадью 12.57 мм² и высотой 3.3 мм. Такой корпус име­ет очень низкое тепловое сопротивление и ма­лую индуктивность выводов.

Рис. 3. Корпус типа PLAD для поверхностного монтажа

Рассмотрим в качестве примера параметры IGBT-модулей Full Bridge (рис. 4), сведенные в таблицу 1. Корпорация Microsemi выпускает модули, изготовленные по технологиям NPT (Non Punch Through) и Field Stop Trench.

Таблица 1. Основные параметры IGBT-модулей Full Bridge

Рис. 4. Принципиальная схема IGBT-модуля Full Bridge

Технология NPT является относительно но­вым «стандартом», однако уже широко приме­няемым многими производителями (особенно, для быстродействующих IGBT). При изготов­лении кристаллов NPT в подложке использу­ется однородный диффузионный слой n— тол­щиной около 200 мкм. На нем расположен планарный затвор, а биполярный p—n—p-тран- зистор формируется с помощью добавления слоя p+ в основание базы [3]. Описанная гомо генная структура лишена недостатков техно­логии PT IGBT, в частности, она имеет высо­кую стойкость к короткому замыканию, поло­жительный температурный коэффициент на­пряжения насыщения и прямоугольную об­ласть безопасной работы RBSOA. Возможность защелкивания (триггерный эффект) в NPT IGBT исключена для всех значений рабочих токов, вплоть до тока короткого замыкания. Однако для обеспечения высокой устойчивос­ти к пробою такая структура должна иметь широкую область подложки, а, значит, и срав­нительно большое значение напряжения насы­щения.

На базе NPT разработано несколько новых типов кристаллов, применяемых при произ­водстве современных модулей. Прежде всего, это SPT- и Trench-транзисторы. Такие крис­таллы используют многие ведущие производи­тели компонентов для силовой электроники. Основными параметрами, по соотношению ко­торых определяются частотные свойства крис­талла IGBT и его «специализация», являются напряжение насыщения, заряд затвора и энер­гия переключения. Каждый из упомянутых типов IGBT имеет свои преимущества, завися­щие от области применения. Кристаллы SPT содержат дополнительный буферный слой n+, расположенный между подложкой и областью коллектора p+. Буферный слой повышает стойкость транзистора к пробою, опасность ко­торого возрастает из-за уменьшения толщины подложки. Благодаря меньшей толщине крис­талла в SPT-транзисторах снижены потери проводимости. Модули SPT-транзисторов име­ют оптимизированные характеристики вык­лючения: линейное нарастание напряжения при выключении, более плавные переходные процессы, меньший уровень перенапряжения, сокращенный «хвост» тока. Потери на пере­ключение SPT-IGBT ниже, чем в модулях, вы­полненных по NPT-технологии. Площадь кристалла и тепловые характеристики обоих типов IGBT соизмеримы.

При изготовлении транзисторов Trench-FS (Field Stop) в основании подложки использует­ся буферный слой n+, также как и при изго­товлении SPT-транзисторов. Однако затвор в этом типе кристаллов выполнен в виде глубо­кой канавки (trench) в теле подложки. Такая структура затвора в сочетании с модифициро­ванной конструкцией эмиттера позволяет оп­тимизировать распределение носителей в об­ласти подложки. В результате напряжение на­сыщения транзисторов Trench-FS (Field Stop Trench) оказывается на 30% ниже, чем в NPT, а площадь кристалла — меньше почти на 70%. Соответственно, технология Trench-FS позво­ляет получить большую плотность тока. Одна­ко, все описанные улучшения влекут за собой повышение теплового сопротивления и увели­чение заряда затвора. Стоимость изготовления кристаллов Trench несколько выше, чем SPT, однако для их производства требуется меньше кремния, что компенсирует производственные затраты.

Технологии изготовления SPT и Trench яв­ляются сегодня наиболее отработанными, их преимущества перед стандартными IGBT оче­видны. Главное отличие состоит в том, что применение Trench-FS позволяет получить сверхнизкие потери проводимости, а SPT обес­печивают хороший компромисс характерис­тик проводимости и переключения. Оба типа модулей IGBT имеют высокую стойкость к ко­роткому замыканию (КЗ), а также эффект самоограничения тока коллектора на уровне, не превышающем шестикратного номинального значения. В результате существенно снижает­ся уровень перенапряжений при срабатывании защиты от КЗ.

Таблица 2. Основные параметры IGBT-модуля APTGT150H170G

Транзисторы Field Stop Trench имеют зна­чительно меньшее падение напряжения кол­лектор-эмиттер в открытом состоянии по срав­нению с транзисторами, изготовленными по технологии NPT [3], что подтверждается дан­ными табл. 1. Благодаря этому, а также поло­жительному температурному коэффициенту напряжения насыщения эти транзисторы при параллельном соединении не требуют приме­нения дополнительных электронных компо­нентов.

Рассмотрим подробнее IGBT-модули APT- GT150H170G, основные характеристики кото­рых приведены в табл. 2, а выходные характе­ристики — на рис. 5. Как следует из рис. 5, на­пряжение насыщения коллектор-эмиттер при прямом токе 100 А не превышает 2 В при тем­пературе перехода (T_j), равной 125 °С, а при то­ке 300 А — 3.7 В. При снижении температуры перехода до 25 °С напряжение насыщения уменьшается и не превышает 3.6 В при токе коллектора 300 А.

Проходная характеристика (рис. 6) мало за­висит от температуры перехода и позволяет оп­ределить напряжение затвор-эмиттер для по­лучения необходимого тока коллектора. На­пряжение отсечки транзисторов этого модуля составляет 6…6.7 В в зависимости от темпера­туры перехода. При повышении температуры перехода напряжение отсечки уменьшается.

Рис. 5. Выходные характеристики транзисторов модуля APTGT150H170G при различных температурах перехода (а) и напряжениях затвор-эмиттер (б)

Рис. 6. Проходная характеристика транзисторов модуля APTGT150H170G при различных температурах перехода

Графики зависимости потерь транзисторов модуля на переключение в зависимости от то ка коллектора и сопротивления резистора, включенного в цепь затвора, приведены на рис. 7 и 8, соответственно.

Рис. 7. Графики зависимости потерь на переключение транзисторов модуля APTGT150H170G

На рис. 7 приведены три графика потерь: при включении транзистора (Eon), при выклю­чении (Eoff) и при обратном напряжении на коллекторе (Er). Энергия Er теряется на защитном диоде, включенном параллельно пере­ходу коллектор-эмитттер.

Рис. 8. Графики зависимости потерь на переключение транзисторов модуля APTGT150H170G от сопротивления резистора, включенного в цепь затвора

Анализ графиков рис. 8, иллюстрирующих зависимость потерь на переключение от сопро­тивления резистора, включенного в цепь затвора, позволяет сделать вывод о том, что с рос­том сопротивления R₃ потери при включении транзистора растут, в то время как потери при выключении и потери на защитном диоде практически не зависят от его величины. Под­робнее с характеристиками модуля APT- GT150H170G можно ознакомиться в [4].

Более подробную информацию о продукции корпорации Microsemi можно получить в фир­ме VD MAIS — официальном дистрибьюторе Microsemi Corporation в Украине.