Силовые компоненты корпорации MICROSEMI

29.11.2023 |

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

Тип икэ макс, В Тип IGBT макс, A (при T=80 °C) “^кэ откр, В (при Ik макс) Тип корпуса
APTGF30H60T3G 600 NPT 30 2.1 SP3
APTGF50H60T3G 50 2.1 SP3
APTGF90H60TG 90 2.1 SP4
APTGF180H60G 180 2.1 SP6
APTGT20H60T3G Field Stop Trench 20 1.5 SP3
APTGT30H60T3G 30 1.5 SP3
APTGT50H60T3G 50 1.5 SP3
APTGT75H60T3G 75 1.5 SP3
APTGT100H60TG 100 1.5 SP4
APTGT100H60T3G 100 1.5 SP3
APTGT150H60TG 150 1.5 SP4
APTGT200H60G 200 1.5 SP6
APTGT300H60G 300 1.4 SP6
APTGF15H120T3G 1200 NPT 15 3.2 SP3
APTGF25H120T3G 25 3.2 SP3
APTGF50H120TG 50 3.2 SP4
APTGF75H120TG 75 3.2 SP4
APTGF150H120G 150 3.2 SP6
APTGT35H120T3G Field Stop Trench 35 1.7 SP3
APTGT50H120TG 50 1.7 SP4
APTGT50H120T3G 50 1.7 SP3
APTGT75H120TG 75 1.7 SP4
APTGT100H120G 100 1.7 SP6
APTGT150H120G 150 1.7 SP6
APTGT200H120G 200 1.7 SP6
APTGT30H170T3G 1700 30 2.0 SP3
APTGT50H170TG 50 2.0 SP4
APTGT100H170G 100 2.0 SP6
APTGT150H170G 150 2.0 SP6

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

Параметр Максимальное значение
Обратное напряжение коллектор-эмиттер, В 1700
Постоянный ток коллектора, А Тк 1=25 °C 250
Тк 1=80 °C 150
Импульсный ток коллектора, А тк 1=25 °C 300
Напряжение затвор-эмиттер, В ±20
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт Тк 1=25 °C 890
Безопасная область работы при обратном включении T2=125 °C 300 A при икэ=1600 В

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 (Tj), 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.