Наследие IR: мощные МОП-транзисторы HEXFET
Оценивая масштабы использования МОП-технологий в современной электронной технике, сейчас трудно представить, сколь драматична была история их становления, ведь даже через 30 лет после выхода в конце 1920-х годов первых теоретических работ физика Джулиуса Лилинфельда полевой транзистор можно было наблюдать только как лабораторный курьез. Именно так, в порядке лабораторного курьеза, появился первый МОП-транзистор с металлическим затвором исследователя из Bell Labs доктора Джона Аталла. Однако если на разработку практически пригодных маломощных МОП-транзисторов понадобится лишь несколько лет, то до появления первых мощных МОП-транзисторов пройдет еще 16 лет. Первые в мире мощные МОП-транзисторы, выполненные по технологии MOSPOWER®, представила компания Siliconix в 1976 году, а чуть позже, в 1979 году, компания International Rectifier предложила альтернативную МОП-структуру для построения мощных транзисторов, которая получила название HEXFET®. Так случилось, что именно эти две легендарные компании предопределили развитие мощных МОП-транзисторов в последующие десятилетия и именно они сейчас тесно связаны с другой не менее известной компанией Vishay. В 2005 году было завершено полное присоединение Siliconix к Vishay, начатое еще в 1998 году, а в 2007 году Vishay приобрела производственную линию силовых полупроводников International Rectifier, в которую вошли и популярные HEXFET-транзисторы. МОП-транзисторы Vishay из производственной линии IR представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Корпуса МОП-транзисторов Vishay из производственной линии International Rectifier
Структура HEXFET подразумевает организацию в одном кристалле тысяч параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек, образующих шестиугольник. Такое решение позволило существенно снизить сопротивление открытого канала RDS(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. С точки зрения классификации полевых транзисторов HEXFET относятся к полевым транзисторам с индуцированным каналом, т.е. работают в режиме обогащения канала неосновными носителями, что приводит к инверсии его проводимости. Такие транзисторы открываются только при подаче определенного напряжения между затвором и истоком. Полярность этого напряжения зависит от типа проводимости канала в открытом состоянии. У n-канальных транзисторов это напряжение положительное, а у p-канальных — отрицательное. Напряжение между затвором и истоком, способное вызвать протекание тока между стоком и истоком называется пороговым (VGS(TH)).
Обычно при использовании в качестве коммутаторов, p-канальные транзисторы включаются в разрыв положительной линии питания, при этом ток через них вытекает в нагрузку, а n-канальные — в разрыв отрицательной (или общей) линии питания и ток в них втекает из нагрузки. Однако, ввиду того, что p-канальные транзисторы сопоставимого класса с n-канальными обычно более дорогостоящие и ассортимент их гораздо хуже, в ряде применений общепринято использовать n-канальные и для коммутации в положительной линии питания. Для этого необходимо сток транзистора соединить с положительным питанием, исток — с нагрузкой и, самое сложное, создавать положительное отпирающее напряжение между затвором и «плавающим» при коммутации истоком. Для решения последней задачи выпускаются специальные «high-side» драйверные каскады. Описанный вариант использования n-канальных транзисторов широко используется в полумостовых и полномостовых силовых каскадах регулируемых электроприводов и импульсных преобразователей напряжения.
В приобретенный Vishay ассортимент HEXFET-транзисторов вошли дискретные транзисторы n- и p-типа в различных корпусах, в т.ч. изолированных и для поверхностного монтажа (SMT). Транзисторы охватывают широкий диапазон напряжений (до 1000 В) и тока (до 70 А), и могут использоваться во всех типичных для мощных МОП-транзисторов применениях. К ним относятся:
- коммутаторы в импульсных источниках питания и DC/DC-преобразователях, в т.ч. каскады синхронного выпрямления (как альтернатива диоду Шоттки с меньшими потерями мощности) и каскады коррекции коэффициента мощности;
- схемы коммутации и распределения электропитания;
- схемы выравнивания токов параллельно-работающих каналов;
- схемы защиты батарейных источников от протекания реверсного тока, зарядные устройства, схемы балансировки многоэлементных аккумуляторных батарей;
- схемы управления электродвигателями;
- усилители мощности звуковых частот;
- линейные стабилизаторы напряжения, в т.ч. LDO-типа;
- мощные источники тока;
- ключи общего назначения (например, для управления мощной светодиодной нагрузкой, электромагнитными реле, электромагнитами и т.п.).
При выборе HEXFET-транзистора по напряжению и току важно понимать, что приводимые в справочных таблицах и документации максимальное рабочее напряжение (напряжение пробоя сток-исток V(BR)DSS)) и максимальный ток стока ID носят классификационный характер и не могут служит окончательным основанием для выбора транзистора. Значение V(BR)DSS) характеризует гарантированное напряжение, при котором не наступит электрического пробоя транзистора, а значение максимального тока ID показывает, до какой величины тока при заданных напряжении затвор-исток и температуре корпуса температура перехода кристалла будет находиться в допустимых границах. Эти данные можно использовать как ориентир, а окончательное решение о выборе транзистора необходимо принимать только руководствуясь графиками области безопасной работы (ОБР) транзистора для статического или импульсного режима работы, которые приводятся в документации. Например, транзистор IRFB11N50A классифицирован на максимальные напряжение 500 В и ток 11 А, но даже в импульсом режиме (длительность проводящего состояния 10 мс) при максимальном напряжении он способен надежно коммутировать гораздо меньший ток (менее 1 А). Величина тока стока также может быть ограничена максимальной температурой кристалла. Чтобы проверить, имеет ли место это ограничение, необходимо выполнить тепловой расчет.
где TJ — температура перехода, TA — температура окружающей среды, PD — рассеиваемая транзистором мощность, RqJA — тепловое сопротивление «переход — окружающая среда».
Величина рассеиваемой мощности в статических и низкочастотных коммутаторах главным образом зависит от потерь проводимости в канале, т.е. PD = ID 2 ЧRDS(on)ЧD, где RDS(on) — сопротивление канала в открытом состоянии, а D — коэффициент заполнения импульсов (для статического коммутатора D = 1). В более высокочастотных применениях у рассеиваемой мощности также появляется динамическая составляющая, которая зависит от частоты коммутации и величины заряда затвора QG, от которого зависит, сколь долго будет происходить включение и отключение транзистора, и выходной емкости COSS. Более подробно методика расчета потерь мощности в МОП-транзисторах уже рассматривалась на страницах НЭ [1], поэтому, детали здесь опускаются. Если полученное значение TJ окажется выше предельно допустимого для выбранного транзистора значения или значения, оговоренного техническим заданием, то необходимо выполнить одно из следующих действий вплоть до соблюдения данного условия:
- снизить ток стока, например, параллельным включением транзисторов;
- выбрать транзистор с более низкими RDS(on) и, при необходимости, QG/COSS;
- выбрать подобный транзистор, но в корпусе с улучшенными теплорассеивающими свойствами (например, то TO-247 вместо ТО-220);
- применить теплоотвод.
МОП-транзисторы в корпусах для поверхностного монтажа
МОП-транзисторы в SMT-корпусах являются идеальными кандидатами для использования в применениях, где теплорассеивающих свойств корпуса и печатной платы будет достаточно для соблюдения допустимого теплового режима транзистора. В приобретенном Vishay ассортименте транзисторов имеются приборы в SMT корпусах трех типов: D-PAK, D2-PAK и SOT-223. Сориентироваться в выборе транзисторов поможет таблица 1.
Таблица 1. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в SMT-корпусах
| ID** (TC = 25°C), А | <1 | 1…5 | 5,1…10 | 10,1…15 | 15,1…20 | 28…41 | 50…57 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VBRDSS, В | £60 | D2-PAK | — | — | IRLZ14S* IRFZ14S | — | IRLZ24S* IRFZ24S | IRLZ34S* IRFZ34S | IRLZ44S* IRFZ48S |
| D-PAK | — | — | IRLR014* IRFR014 IRFR9020 IRFR9014 IRFR9024 | IRFR020 IRLR024* IRFR024 | — | — | — | ||
| SOT-223 | — | IRFL014 IRFL9014 | — | — | — | — | — | ||
| 100 | D2-PAK | — | IRF9510S | IRL510S* IRF510S IRL520S* IRF520S IRF9520S | IRL530S* IRF530S IRF9530S | IRF9540S | IRL540S* IRF540S | — | |
| D-PAK | — | IRLR110* IRFR110 IRFR9110 | IRLR120* IRFR120 IRFR9120 | — | — | — | — | ||
| SOT-223 | — | IRLL110* IRFL110 IRFL9110 | — | — | — | — | — | ||
| 200…250 | D2-PAK | — | IRF610S IRF614S IRF624S IRF9610S IRF9620S | IRL620S* IRF620S IRL630S* IRF630S IRF634S IRF9630S | IRF644S IRF9640S | IRL640S* | — | — | |
| D-PAK | — | IRFR210 IRFR220 IRFR214 IRFR224 IRFR9210 IRFR9220 IRFR9214 | — | — | — | — | — | ||
| SOT-223 | IRFL210 IRFL214 | — | — | — | — | — | — | ||
| 400…450 | D2-PAK | IRF710S IRF720S | IRF730S IRF740S | — | — | — | — | ||
| D-PAK | — | IRFR310 IRFR320 IRFR9310 | — | — | — | — | — | ||
| 500…550 | D2-PAK | — | IRF820S IRF830S | IRF840S | IRFS11N50A | — | — | — | |
| D-PAK | — | IRFR420 IRFR420А IRFR430A | — | — | — | — | — | ||
| 600…650 | D2-PAK | — | — | IRFBC40AS IRFS9N60A | — | — | — | — | |
| D-PAK | — | IRFR1N60A IRFRC20 | — | — | — | — | — | ||
| 800…1000 | D2-PAK | — | — | IRFBC40AS IRFS9N60A | — | — | — | — | |
| D-PAK | — | IRFR1N60A IRFRC20 | — | — | — | — | — | ||
| * — указывает на транзисторы, рассчитанные на управление 5 В-ым логическим уровнем ** — для транзисторов в корпусе SOT-223 ток стока соответствует окружающей температуре 25°C, а не температуре корпуса TC | |||||||||
В этой и последующих таблицах для облегчения поиска комплементарных пар используется цветовое разделение n- и p-канальных транзисторов. Например, запись IRFL014 указывает на n-канальный тип, а IRFL9014 — на p-канальный.
МОП-транзисторы в корпусах для монтажа в отверстие
К использованию транзисторов в корпусах для монтажа в отверстие прибегают в следующих случаях:
- использование таких корпусов оговорено заданием к проекту;
- не существует SMT-транзисторов, отвечающих заданным требованиям;
- требуется установка на теплоотвод.
Наименования доступных транзисторов Vishay-IR в различных корпусах для монтажа в отверстие представлены в таблице 2, а внешний вид корпусов и их тепловые сопротивления — на рисунке 1.
Таблица 2а. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в корпусах для монтажа в отверстие
| ID (TC = 25°C), А | 1…5 | 5,1…10 | 10,1…15 | 15,1…27 | 28…41 | 46…57 | 70 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VBRDSS, В | £60 | TO-220AB | IRF9Z10 | IRFZ10 IRLZ14* IRFZ14 IRF9Z20 IRF9Z14 | IRF9Z24 | IRLZ24* IRFZ48 IRF9Z34 | IRLZ34* IRFZ44 | IRLZ44* IRFZ46 IRFZ34 | — |
| TO-220FP | — | IRLIZ14G* IRFIZ14G IRFI9Z14G RFI9Z24G | IRLIZ24G* IRFIZ24G IRFI9Z34G | IRLIZ34G* IRFIZ34G | IRLIZ44G* IRFIZ44G IRFIZ48G | — | — | ||
| TO-247AC | — | — | — | — | IRFP044 | IRFP048 IRFP054 IRFP064 | |||
| 100 | TO-220AB | IRF9510 | IRL510* IRF510 IRL520* IRF520 IRF9520 | IRL530* IRF530 IRF9530 | IRF9540 | IRL540* IRF540 | — | — | |
| TO-220FP | IRFI510G | IRLI520G* IRFI520G IRFI530G IRFI9520G IRFI9530G | IRFI9540G | IRLI540G* IRFI540G | — | — | — | ||
| TO-247AC | — | — | — | IRFP9140 | IRFP140 IRFP150 | — | — | ||
| 200…250 | TO-220AB | IRF610 IRF614 IRF624 IRF9610 IRF9620 | IRL620* IRF620 IRL630* IRF630 IRF634 IRF644 IRF9630 | IRF9640 | IRL640* IRF640 | — | — | — | |
| TO-220FP | IRLI620G* IRFI620G IRLI630G* IRFI614G IRFI624G IRFI9610G IRFI9620G IRFI9630G IRFI9634G | IRFI630G IRLI640G* IRFI640G IRFI634G IRFI644G IRFI9640G | — | — | — | — | — | ||
| TO-247AC | — | — | IRFP244 IRFP9240 | IRFP240 IRFP254 | IRFP250 IRFP264 | IRFP260 | |||
| 400…450 | TO-220AB | IRF710 IRF720 | IRF730 IRF734 IRF740 IRF744 | — | — | — | — | — | |
| TO-220FP | IRFI720G IRFI730G IRFI734G IRFI744G | IRFI740G | — | — | — | — | — | ||
| TO-247AC | — | IRFP344 | IRFP340 | IRFP350 IRFP360 | — | — | — | ||
| 500…550 | TO-220AB | IRF820 IRF830 | IRF840 IRFB11N50A IRFB13N50A IRFIB7N50A IRFIB7N50L IRFIB8N50K | IRFB16N50K | IRFB17N50L IRFB18N50K IRFB20N50K | — | — | — | |
| TO-220FP | IRFI820G IRFI830G IRFI840G IRFIB5N50L | — | — | — | — | — | — | ||
| TO-247AC | — | IRFP440 | IRFP448 IRFP450 | IRFP17N50L IRFP460 IRFP22N50A IRFP23N50L | IRFP31N50L IRFP32N50K | — | — | ||
| VBRDSS, В | 600…650 | TO-220AB | IRFBC20 IRFBC30 | IRFB9N60A IRFBC40 IRFB9N65A | — | IRFB16N60L IRFB17N60K | — | — | — |
| TO-220FP | IRFIB6N60A IRFIB5N65A | — | — | — | — | — | |||
| TO-247AC | — | IRFPC40 | IRFPC50 IRFP15N60L | IRFPC60 IRFP21N60L IRFP22N60K IRFP26N60L IRFP27N60K | — | — | — | ||
| 800…1000 | TO-220AB | IRFBE20 IRFBE30 IRFBF20 IRFBF30 IRFBG20 IRFBG30 | — | — | — | — | — | — | |
| TO-220FP | IRFIBE20G IRFIBE30G IRFIBF20G IRFIBF30G | — | — | — | — | — | — | ||
| TO-247AC | IRFPE30 IRFPF30 IRFPF40 IRFPG30 IRFPG40 | IRFPE40 IRFPE50 IRFPF50 IRFPG50 | — | — | — | — | — | ||
| * — указывает на транзисторы, рассчитанные на управление 5 В-ым логическим уровнем. | |||||||||
Таблица 2б. Мощные МОП-транзисторы Vishay из производственной линии International Rectifier в корпусах для монтажа в отверстие**
| ID (TC=25°C), А | <1 | 1…5 | 5,1…10 | 10,1…15 | 15,1…27 | 28…41 | 43…50 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| VBRDSS, В | £60 | TO-262 | — | — | IRF9Z14L | IRF9Z24L | IRF9Z34L | — | IRFZ44L |
| HEXDIP | — | IRFD123 IRLD014* IRFD014 IRLD024* IRFD024 IRFD9020 IRFD9014 IRFD9024 | — | — | — | — | — | ||
| 100 | SOT-227 (Iso) | — | — | FB180SA10 | — | — | — | — | |
| HEXDIP | IRFD9110 | IRLD110* IRFD110 IRLD120* IRFD120 IRFD9120 | — | — | — | — | — | ||
| 200…250 | TO-262 | — | — | — | — | IRF640L | — | — | |
| HEXDIP | IRFD210 IRFD220 IRFD214 IRFD224 IRFD9210 IRFD9220 | — | — | — | — | — | — | ||
| 400…450 | TO-262 | — | — | IRF730AL IRF740AL | — | — | — | — | |
| HEXDIP | IRFD310 IRFD320 | — | — | — | — | — | — | ||
| 500…550 | Super 220/247 | — | — | — | — | IRFBA22N50A | IRFPS35N50L IRFPS37N50A IRFPS40N50L | IRFPS43N50K | |
| TO-262 | — | IRF820AL IRF830AL | IRF840AL IRF840LCL | IRFSL11N50A | — | — | — | ||
| SOT-227 (Iso) | — | — | — | — | — | FA38SA50LC FC40SA50FK | FA57SA50LC | ||
| HEXDIP | IRFD420 | — | — | — | — | — | — | ||
| 600…650 | Super 247 | — | — | — | — | — | IRFPS29N60L IRFPS30N60K IRFPS38N60L IRFPS40N60K | — | |
| TO-262 | — | IRFBC20L IRFBC30L | IRFBC40L IRFSL9N60A | — | — | — | — | ||
| HEXDIP | IRFDC20 | — | — | — | — | — | — | ||
| 800…1000 | TO-262 | — | IRFBE30L IRFBF20L | — | — | — | — | — | |
| HEXDIP | IRFDC20 | — | — | — | — | — | — | ||
| * — указывает на транзисторы, рассчитанные на управление 5 В-ым логическим уровнем ** — кроме транзисторов в корпусе SOT-227 (Iso), который рассчитан на проводной монтаж | |||||||||
Некоторые из представленных в таблицах транзисторов доступны в обновленных исполнениях, что отмечается добавлением к серийному номеру суффикса «А» или «N» в конце цифрового кода. Например, транзистор IRF644, выпускаемый по технологии HEXFET третьего поколения, также доступен как IRF644N и обладает существенно улучшенными характеристиками заряда затвора (54 нКл против 68 нКл) и выходной емкости (140 пФ против 330 пФ), которые, как уже упоминалось, влияют на тепловые потери в импульсных применениях. Получить полный перечень серийных номеров можно по ссылке [2], выбрав там требуемый n- или p-канальный тип транзистора.
МОП-транзисторы в изолированных корпусах
В устройствах, где силовые приборы устанавливаются на теплотвод, который электрически связан с шасси устройства, или где из экономических соображений выгодно охлаждать несколько полупроводников на общем теплоотводе, существует необходимость в электрической изоляции таких силовых приборов от теплоотвода. При использовании обычных корпусов TO-220AC, металлическая пластина которых соединена со стоком кристалла МОП-транзистора, эта задача решается применением специальных слюдяных или пластиковых прокладок между транзистором и теплотводом. Однако такое решение имеет ряд недостатков: увеличивается перечень покупных изделий, что усложняет серийное производство изделий в части снабжения и складского учета; усложняется процесс сборки изделия и контроля качества; снижается уровень надежности изделия. Для решения этой задачи и избавления от перечисленных недостатков был разработан изолированный корпус TO220-FULL PACK (или TO220-FP). Существенным недостатком корпуса TO220-FP является его высокое тепловое сопротивление «переход-корпус» R JA (почти в 4 раза больше чем у обычного корпуса ТО220), что ограничивает возможность рассеивания им повышенных уровней мощности. В таком случае можно использовать транзисторы в еще одном изолированном корпусе — SOT-227, но он не рассчитан на монтаж пайкой и подключается проводниками к предусмотренным на его корпусе винтовым клеммникам.
МОП-транзисторы для управления логическим уровнем
Обычные МОП-транзисторы, хотя и имеют пороговое напряжение затвора менее 5 В (2…4 В), тем не менее, для работы с заявленными в документации малыми значениями RDS(on) требуют управления более высокими напряжениями (обычно более 6 В). Поэтому для применений, где требуется напрямую управлять МОП-транзистором с выхода цифровой ИС (например, микроконтроллера) были разработаны специальные транзисторы с управлением логическим уровнем. Такие транзисторы в таблицах 1 и 2 отмечены звездочкой и имеют префикс «L» в серийном номере. Значения RDS(on) у этих транзисторов определяются при напряжении VGS = 4 и 5 В.
Мощные МОП-транзисторы с функцией контроля тока
Отдельно в таблице 3 представлены особые МОП-транзисторы — с функцией контроля тока.
Таблица 3. МОП-транзисторы с функцией контроля тока в 5-выводном корпусе TO-220 (HEXSense®)
| Серия | VBRDSS, В | RDS(on) (VGS=10 В), мОм | ID (TC=25°C), А | ID (TC=100°C), А | Qg (typ), нКл | Qgd (typ), нКл | Rth (JC), К/Вт | PD (TC=25°C), Вт |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IRC540 | 100 | 77,0 | 28 | 20 | 69,0 | 37,0 | 1,00 | 150 |
| IRC634 | 250 | 450,0 | 8,1 | 5,1 | 41,0 | 22,0 | 1,7 | 74 |
| IRC640 | 200 | 180,0 | 18 | 11 | 70,0 | 39,0 | 1,00 | 125 |
| IRC644 | 250 | 280,0 | 14 | 8,5 | 65,0 | 32,0 | 1,00 | 125 |
| IRC730 | 400 | 1000,0 | 5,5 | 3,5 | 38,0 | 22,0 | 1,00 | 74 |
| IRC740 | 400 | 550,0 | 10 | 6,3 | 66,0 | 33,0 | 1,00 | 125 |
| IRC830 | 500 | 1500,0 | 4,5 | 3 | 38,0 | 22,0 | 1,7 | 74 |
| IRC840 | 500 | 850,0 | 8 | 5,1 | 67,0 | 34,0 | 1,00 | 125 |
| IRCZ24 | 60 | 100,0 | 17 | 12 | 24,0 | 9,0 | 2,5 | 60 |
| IRCZ34 | 60 | 50,0 | 30 | 21 | 46,0 | 22,0 | 1,7 | 88 |
| IRCZ44 | 60 | 28,0 | 50 | 37 | 95,0 | 46,0 | 1,00 | 150 |
Все эти транзисторы относятся к n-канальному типу и, в отличие от остальных, имеют два дополнительных вывода: вывод сигнального истока (для включения в слаботочную контрольную цепь) и вывод контроля тока. На последнем выводе, по аналогии с токовым зеркалом, формируется небольшой ток, который пропорционален току сток-исток. Данный тип мощных приборов используется главным образом в устройствах управления электроприводами и импульсных источниках питания, где очень важен контроль тока. Их применение позволяет снизить потери мощности по сравнению с шунтовым способом контроля тока и снизить стоимость решения по сравнению с контролем тока датчиками Холла.
Таким образом, в приобретенную Vishay производственную линию International Rectifier входит обширное число выполненных по технологии HEXFET МОП-транзисторов n- и p-канального типов; в различных корпусах, в т.ч. для поверхностного и выводного монтажа, изолированные и с улучшенной теплорассеивающей способностью; в стандартных и специальных исполнениях (для управления логическим уровнем, с улучшенными динамическими и статическими характеристиками). Для применений с функциями защиты по току предлагаются специальные приборы с отдельным выводом для контроля тока. Более детальную информацию по рассмотренным транзисторам можно найти по ссылке [2].
1. Староверов К. Как правильно выбрать напряжение управления затвором МОП-транзистора//Новости электроники, №20, 2007 г. — С. 3-6
2. Техническая информация и документация по HEXFET транзисторам Vishay www.vishay.com/irf-products/.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: power.vesti@compel.ru
Новый 30-вольтовый мощный TrenchFET MOSFET семейства Gen III
Фирма Vishay Intertechnology выпустила первый прибор нового семейства мощных TrenchFET® MOSFET третьего поколения. Для этого прибора характерно рекордное значение сопротивления в открытом состоянии и значение произведения сопротивления в открытом состоянии на заряда затвора.
Новый TrenchFET Gen III Si7192DP — n-канальный прибор, размещенный в корпусе PowerPAK® SO-8, обладает максимальным сопротивлением в открытом состоянии в 2,25 мОм при напряжении на затворе 4,5 В. Значение произведения сопротивления в открытом состоянии на заряд затвора — важнейший показатель качества (FOM) для MOSFET в применениях DC/DC-преобразования — составляет 98 (новый отраслевой рекорд для приборов с VDS = 30 В, VGS = 20 В, размещенных в корпусах SO-8). По сравнению с конкурирующими приборами, оптимизированными под низкие потери проводимости и низкие импульсные потери, это изделие располагает наилучшими характеристиками. Более низкое сопротивление в открытом состоянии и более низкий заряд затвора преобразуются в более низкие потери проводимости и импульсные потери, соответственно.
Прибор Si7192DP ориентирован на использование в качестве MOSFET нижней стороны в синхронных понижающих преобразователях, в применениях вторичного синхронного выпрямления и OR-ing применениях. Его низкие потери проводимости и импульсные потери позволят реализовать большое количество энергоэкономичных и эффективных, с точки зрения габаритов, модулей стабилизаторов напряжения (VRM), серверов и разнообразных систем, использующих POL-питание.
Смотрим полевой транзистор IRF4905 фирмы International Rectifier с технологией HEXFET 5-ого поколения
На плате некоторого устройства N сгорел транзистор IRF4905, да так, что треснул, поэтому появилась возможность взглянуть на его внутреннее устройство.
Характеристики IRF4905 согласно документации: Р-канальный полевой транзистор. Постоянный ток при 20 С – 74 А, пульсирующий ток до 260 А. Сопротивление в открытом состоянии – 0.02 Ом. Низкое сопротивление достигается технологией HEXFET, суть которой состоит в том, что полевой транзистор это не один транзистор, а множество (сотни тысяч) маленьких полевых транзисторов, включенных параллельно.
Максимальная рассеивающая мощность транзистора – 200 Вт. В доказательство таких больших показателей – прогоревший текстолит и треснувший транзистор (держался до последнего).
Сам кристалл имеет площадь 24 мм2. Толщина кристалла 0,3 мм. Напаян на эвтектику.
Разварка выполнена алюминиевой проволокой. На ней виден желтоватый налет – это нагар. Управляющий электрод имеет диаметр около 50 мкм, а три толстые проволоки диаметром 0.5 мм каждая. На толстой проволоке виден след от инструмента разварки.
Схематично технология HEXFET компании International Rectifier выглядит так:
По документации транзистор IRF4905 реализуется на пятом поколении технологии HEXFET.
Фотографии можно открыть в новом окне и посмотреть более детально. С каждым фото приближение ближе для понимания масштабов погружения.
RF Wireless World
HEXFET vs MOSFET | difference between HEXFET and MOSFET
This page compares HEXFET vs MOSFET and mentions difference between HEXFET and MOSFET.
MOSFET
The full form of MOSFET is Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Figure-1 depicts 600 Volt SJ-MOSFET structure and circuit symbol.
Refer Depletion MOSFET vs Enhancement MOSFET➤ and MOSFET Fabrication Technology➤.
HEXFET
HEXFET is trademark of power MOSFET developed by International Rectifier. The HEXFET structure is shown in the figure-2. As shown silicon oxide layer between gate and source regions can be punctured by exceeding its dielectric strength. The symbol is same as power MOSFET as shown in the figure-1. It is a voltage controlled power MOSFET device.
When voltage is being applied between Gate and Source terminals, E-field is setup within HEXFET device. This electric field inverts the channel from P to N such that current can flow from Drain to Source in un-interrupted sequence of N-type silicon.
FETs can be of two types viz. enhancement mode and depletion mode. Enhancement mode devices require gate voltage of same sign as drain voltage in order to pass the current. Depletion mode devices are usually ON and are turned OFF by Gate voltage of same polarity as drain voltage.
Following points differentiate HEXFET from MOSFET devices.
➨All HEXFET® devices are enhancement mode devices.
➨As mentioned HEXFET® is trademark of International Rectifier.
➨Gate to source voltage of most of the HEXFET devices are between 10 and 30 V.
➨Example: IRF540 is HEXFET device and IRL540 is MOSFET device.
Параметры MOSFET транзисторов
Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.
В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.
Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.
Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.
Что такое HEXFET транзистор?
В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.
Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».
Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.
Как видим, он имеет шестиугольную структуру.
Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.
Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала RDS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.
Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:
Схемы коммутации электропитания.
Системы управления электродвигателями.
Усилители низкой частоты.
Ключи для управления мощными нагрузками.
Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.
Транзисторы HEXFET марки IRLZ44ZS
Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).
Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:
О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.
Основные параметры полевых транзисторов.
Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:
VDSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.
ID (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, VGS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.
RDS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (RDS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.
PD (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.
VGS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.
VGS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше VGS(th), то транзистор будет закрыт.
На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение VGS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175°C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0°C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.
Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.
Предельное напряжение сток-исток (VDSS): 55 Вольт.
Максимальный ток стока (ID): 51 Ампер.
Предельное напряжение затвор-исток (VGS): 16 Вольт.
Сопротивление сток-исток открытого канала (RDS(on)): 13,5 мОм.
Максимальная мощность (PD): 80 Ватт.
Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!
Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.
Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25°C) до 36А (при t=100°C)). Мощность при температуре корпуса 25°C равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.
Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как Ciss (Input Capacitance).
На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.
В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.
Важные особенности MOSFET транзисторов.
Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.
При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.
Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не «развязан» от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные «наводки» из электросети.
Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.