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.

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-ком-

Рис. 1. Зависимость типа корпуса от параметров силовых компонентов

поненты, 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),

SP3(12mm)     SP4(17mm)

SP6(17mm)     SP6-P(12mm)

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 им-

Рис. 3. Корпус типа PLAD для поверхностного монтажа

пульсе размещается в корпусе площадью 12.57 мм² и высотой 3.3 мм. Такой корпус имеет очень низкое тепловое сопротивление и малую индуктивность выводов.

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.

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].

Рис. 4. Принципиальная схема IGBT-модуля Full Bridge

Таблица 1. Основные параметры IGBT-модулей Full Bridge

Описанная гомогенная 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

¹ Температура корпуса.

² Температура перехода.

                         а)                                                                                        б)

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

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.

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

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

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.