Полевые транзисторы фирмы STMicroelectronics

Полевые транзисторы фирмы STMicroelectronics.
В статье предпринята попытка сравнить характеристики MOSFET (полевых) транзисторов
ведущих мировых производителей, таких как STMicroelectronics, Infineon, International
Rectifier, Vishay, Toshiba и ON Semiconductor (Motorola).
Вначале хотелось бы познакомить читателей с обзором новых семейств MOSFETтранзисторов фирмы STMicroelectronics, без сомнения, если не лидирующей, то одной из
фирм, обладающих наиболее передовыми разработками и технологиями в области
силовой электроники.
MDmesh MOSFET
STMicroelectronics разработала новую MOSFET-технологию, значительно уменьшающую
RDS ON (сопротивление сток√исток в открытом состоянии). Новая технология названа
MDmesh (Multiple Drain mesh), потому что она основана на многочисленных
вертикальных Р-структурах стока. Кроме очень низкого RDS ON, новая вертикальная
структура кристалла обеспечивает превосходные dV/dt характеристики.
Рисунок 1. Структура кристалла MDmesh MOSFET
Такая структура кристалла также обеспечивает величину заряда затвора Qg на 40% ниже,
чем у традиционных MOSFET, что повышает скорость переключения и снижает потери
мощности на переключение. Низкая величина заряда затвора Qg да╦т возможность
использовать меньшие и более экономичные затворные цепи.
Температурный коэффициент сопротивления кристалл√корпус Rjc не превышает
1,7╟С/W. Размер кристалла значительно уменьшился, что обеспечило превосходные
тепловые характеристики. Для сравнения, 500-В STP12NM50 в корпусе ТО-220 с RDS ON
= 0,35 Ом имеет кристалл, занимающий лишь 60% общей площади изделия. Такое низкое
RDS ON в стандартной технологии MOSFET доступно только в корпусе ТО-247 с
большим размером кристалла.
Эти преимущества могут быть реализованы в таких применениях, как источники
вторичного электропитания средней мощности, где низкое RDS ON и улучшенные
динамические характеристики могут увеличить КПД источников питания не менее, чем на
2%, и это позволит уменьшить теплоотвод до 40% при той же самой температуре нагрева.
Для демонстрации преимуществ MDmesh-приборов в реальных применениях, сравним
электрические и тепловые характеристики транзистора MOSFET предыдущего поколения
STW15NB50 (500 В, 0,36 Ом, ТО-247) и MDmesh MOSFET STP12NM50 (500 В, 0,35 Ом,
ТО-220) в 360-Вт мостовом источнике питания, где нагрузкой транзисторов является
первичная обмотка трансформатора преобразователя. MDmesh MOSFET показал лучшие
скорости переключения, чем MOSFET предыдущего поколения. Время включения
STP12NM50 было на 100 нс меньше, чем у STW15NB50. Величина заряда затвора
STP12NM50 составила 21 нКл, в то время как у STW15NB50 - 70 нКл. Величина энергии
выключения STP12NM50 была 22,6 мкДж, в то время как у STW15NB50 она достигла 31,3
мкДж. При частоте переключения 115 кГц это означает разность в потерях на
переключение около 1 Вт на транзистор (2,6 Вт у STP12NM50 против 3,6 Вт у
STW15NB50). Потери на проводимость составили 3,2 Вт у STP12NM50 против 3,4 Вт у
STW15NB50.
Следует отметить, что сравнение проводилось не с традиционным стандартным MOSFET,
а с быстрым MOSFET-прибором предыдущего поколения STMicroelectronics, имеющим
неплохие динамические характеристики и низкую величину заряда затвора, по сравнению
с IRFP450 (корпус ТО-247).
Z-серия MOSFET
STMicroelectronics представляет новое семейство MOSFET-транзисторов, которые
содержат встроенный диод Зенера в затворной цепи. Это семейство высоковольтных
транзисторов (от 700 до 900 В) полностью защищено от электростатического пробоя и
выбросов напряжения в затворной цепи вследствие переходных процессов. Напряжение
ограничения диода Зенера составляет около 25 В, что предохраняет затвор от
перенапряжения. Диоды Зенера способны подавить выбросы напряжения до 140 В.
Рисунок 2. Синхронный понижающий преобразователь
Таблица 1. Z-серия MOSFET-транзисторов
Device
VDSS, B RDC (on),
Om
I D, A
Package
PD, Bt
STP5NC70Z
700
1,8
4,3
TO-220
100
STP7NC70Z
700
1,38
6,0
TO-220
125
STP8NC70Z
700
1,2
6,8
TO-220
135
STW10NC70Z
700
0,35
10,3
TO-247
190
STP4NC80Z
800
2,8
3,9
TO-220
100
STP6NC80Z
800
1,8
5,4
TO-220
125
STP7NC80Z
800
1,5
6,1
TO-220
135
STW9NC80Z
800
0,9
9,4
TO-247
190
STP3NC90Z
900
3,5
3,0
TO-220
100
STP5NC90Z
900
2,5
4,6
TO-220
125
STP6NC90Z
900
2
5,3
TO-220
135
STW8NC90Z
900
1,38
7,6
TO-247
190
STripFET
Другое новое семейство полевых транзисторов фирмы STMicroelectronics - STripFET. Это
низковольтные MOSFET-транзисторы с очень низкой величиной заряда затвора Qg. Для
применения в высокочастотных схемах величина Qg играет более важную роль в
минимизации потерь мощности, чем RDS ON. В этих целях использование STripFETтехнологии более приемлемо, чем традиционной структуры кристалла или, например,
Trench-технологии, предлагаемой азиатскими производителями. STripFET-технология
представляет собой лучший компромисс между динамическими характеристиками,
напрямую связанными с зарядом затвора, и потерями на проводимость (RDS ON).
Рисунок 3. STripFET2 в корпусе PowerSO-10 в синхронных понижающих
преобразователях
Хороший пример применения новых MOSFET - это высокоэффективный DC/DCконвертор для материнских плат десктопов и мобильных компьютеров. Наиболее
популярная топология для таких применений - синхронный понижающий
преобразователь.
Технология STripFET получила сво╦ дальнейшее развитие в новом поколении
транзисторов STripFET2, разработанном с помощью специального быстрого термического
диффузионного процесса, в результате которого ширина полосы отдельной ячейки
структуры кристалла была уменьшена. Это привело к дальнейшему уменьшению и RDS
ON. Новые изделия идентифицируются буквами "NF", например, STP80NF10.
В частности, фирма STMicroelectronics разработала ряд низковольтных (20, 30 В)
транзисторов в корпусе PowerSO-10 для применения в синхронных понижающих
преобразователях. По величине RDS ON эти транзисторы не имеют аналогов среди других
производителей, например, STV160NF02L (20 В, 0,0016 Ом, 160 А) и STV160NF03L (30 В,
0,0021 Ом, 160 А).
Транзисторы нового поколения STripFET2 также выпускаются в корпусах ТО-220,
D2PAK, DPAK и SO-8. Они наиболее применимы для высокочастотных DC/DCконверторов для десктопов, мобильных компьютеров и телекоммуникационного
оборудования.
PowerMESH IGBT
STMicroelectronics также предлагает новое поколение IGBT-транзисторов (биполярных
транзисторов с изолированным затвором), разработанных с применением технологии
PowerMESH, с успехом используемой в MOSFET-транзисторах. Основные преимущества
новых IGBT транзисторов: ниже UСE SAT (напряжение насыщения КЭ), выше IC (ток
коллектора), больше скорость переключения. Семейство IGBT-транзисторов с низким
UСE SAT можно идентифицировать по суффиксу "S" в наименовании, например,
STGD7NB60S. Зависимость UСE SAT от IC приведена на рисунке. Это семейство IGBTтранзисторов применяется на частотах до 1 кГц для управления различными
низкочастотными моторами.
Рисунок 4. Зависимость UСE SAT от IC для IGBT-транзисторов
Следующее семейство IGBT-транзисторов разработано специально для электронного
зажигания в автомобилях. Это IGBT-транзисторы с логическим уровнем входного
сигнала, полностью защищ╦нные от перенапряжений по входу и выходу диодами Зенера.
Такие приборы как STGB10NB37LZ, STGB20NB37LZ (корпус D2PAK), STGP10NB37LZ и
STGP20NB37LZ (корпус ТО-220) представляют собой лучший выбор для систем
зажигания, базирующихся на IGBT-транзисторах.
Готовится к выпуску так называемый Smart IGBT VBG15NB37, представляющий собой
мощный IGBT-транзистор, полностью защищ╦нный по току, температуре и от выбросов
напряжения по входу и выходу, совмещ╦нный с драйвером, позволяющим осуществить
прямое управление от микроконтроллера.
Блок-схема Smart IGBT изображена на рисунке.
Рисунок 5. Зависимость UСE SAT от IC для IGBT-транзисторов
Третье семейство IGBT-транзисторов - это транзисторы с высокой скоростью
переключения. Они идентифицируются по суффиксу "H" в наименовании, например
STGD7NB60H. Эти изделия применяются на частотах до 120 кГц и идеальны для DC/DCконверторов в прямоходовых, обратноходовых, полумостовых и мостовых топологиях
схем источников питания и корректоров мощности.
Основные технические данные MOSFETтранзисторов ведущих производителей
В табл. 2 представлены основные технические характеристики MOSFET-транзисторов
ведущих производителей: STMicroelectronics, Infineon, International Rectifier, Vishay,
Toshiba и ON Semiconductor (Motorola) в наиболее распростран╦нных корпусах.
Таблица 2. Технические характеристики MOSFET-транзисторов
Произво
дитель
Наименование
Корпус
U DS,
В
RDS ON 10 В,
Oм
RDS ON 4,5 В,
Oм
STM
STP80PF55
TO-220
-55
0,02
-80 180
INF
SPP80P06P
TO-220
-60
0,23
-80
IR
IRF4905
TO-220
-55
0,02
-64
TOSH
2SJ334
TO-220
-60
0,029
-30
VISH
SUP75P05-08
TO-220
-55
0,008
-75 140
VISH
SUP65P06-20
TO-220
-60
0,02
STM
STV160NF02L
PSO-10
20
0,0016
0,0035
160 103
IR
IRL3502
TO-220
20
0,007
0,007
110
STM
STV160NF03L
PSO-10
30
0,0019
0,004
160 103
STM
STP80NF03L-04
TO-220
30
0,004
0,005
80
100
STM
STP80NE03L-06
TO-220
30
0,006
80
95
INF
SPP80N03L
TO-200
30
0,006
0,006
80
IR
IRL3803
To-220
30
0,006
0,006
120
ONS
MTP1306
TO-220
30
0,008
75
TOSH
2SK3128
TO-3P
30
0,0095
60
VISH
SUP75N03-04
TO-220
30
0,004
VISH
SUP85N03-07P
TO-220
30
0,007
VISH
SUP75N05-06
TO-220
50
STM
STP80NF55-06
TO-220
STM
STP80NF55L-06
INF
IR
ID, A
-65
Qg,
нКл
85
75
200
85
60
0,006
75
85
55
0,0065
80
190
TO-220
55
0,0065
0,008
80
97
BUZ111SL
TO-220
55
0,007
0,007
IRF1405
TO-220
55
0,005
STM
STP80NE06-10
TO-220
60
0,01
0,008
80
STM
STP60NF06L
TO-220
60
0,014
0,016
60
IR
IRF1010N
TO-220
60
0,012
81
0,01
80
133
ONS
MTP75N06HD
TO-220
60
0,01
75
TOSH
2SK2986
TO-220
60
0,0045
55
VISH
SUP85N06-05
TO-220
60
0,005
STM
STP80NF10
TO-220
100
0,018
INF
SPP70N10L
TO-220
100
0,016
0,016
70
IR
IRL2910
TO-220
100
0,026
0,026
48
0,007
140
85
155
80
140
IR
IRFB59N10D
TO-220
100
0,025
59
ONS
MTP40N10E
TO-220
100
0,04
40
TOSH
2SK1382
TO-3P
100
0,015
60
VISH
SUP85N10-10
TO-220
100
0,01
85
STM
STP12NM50
TO-220
500
0,35
12
28
STM
STW45NM50
TO-247
500
0,1
45
100
IR
IRFB17N50L
TO-220
500
0,25
17
IR
IRFP460
TO-247
500
0,27
20
TOSH
2SK2842
TO-220
500
0,4
12
105
TOSH
2SK3132
TO-3P
500
0,07
50
STM
STP11NM60
TO-220
600
0,45
11
30
STM
STW16NB60
TO-247
600
0,35
16
85
INF
SPP20N60S5
TO-247
600
0,19
20
INF
SPW47N60S5
TO-247
600
0,07
47
IR
IRFB9N60A
TO-220
600
0,75
9
IR
IRPC60
TO-247
600
0,40
16
TOSH
2SK2866
TO-220
600
0,54
10
TOSH
2SK2915
TO-3P
600
0,31
16
Из табл. 2 видно, что среди низковольтных полевых транзисторов превосходными
характеристиками, кроме STMicroelectronics и Toshiba, обладают также транзисторы
фирмы Vishay, (как, например, уникальные полевые транзисторы SUP75P05-08,
SUP85N06-05, SUP85N10-10), но несколько большие сроки поставки и цены сводят на нет
преимущества в технических характеристиках транзисторов, в то время как невысокие
цены и доступность транзисторов STM повышают к ним интерес. В области
высоковольтных полевых транзисторов превосходными техническими характеристиками
выделяется 600-В семейство CoolMOS фирмы Infineon Technologies. Они обладают очень
малым RDS ON и по статическим характеристикам сравнимы с IGBT-транзисторами, а по
динамическим характеристикам значительно превосходят их, однако имеют несколько
большие сроки поставки, чем у других производителей.
В заключение хочется сказать, что фирмы "Макро Тим" , и ╚БИС-электроник╩
осуществляют поставки полевых транзисторов таких фирм-производителей, как
STMicroelectronics, Infineon Technologies, Vishay, Toshiba, Hitachi, Philips, ON
Semiconductor, и Intersil (Harris).