СИЛОВЫЕ MOSFET-ТРАНЗИСТОРЫ

В статье рассматриваются характеристики силовых MOSFET- транзисторов. Силовой MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor — полевой МОП-транзистор) представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, в котором ток, протекающий от истока к стоку, управляется с помощью сигнала, подаваемого на затвор. Величина тока этих устройств достигает нескольких десятков ампер, и номинальное напряжение пробоя (BVDSS) составляет 10—1000 В.
Запирающим называется максимальное напряжение, которое можно приложить к MOSFET. При управлении с помощью индуктивной нагрузки к приложенному потенциалу добавляется индуктивное наведенное напряжение. При индуктивной нагрузке напряжение на MOSFET-транзисторе может фактически в два раза превосходить приложенное напряжение. Параметры лавинного пробоя определяют количество энергии, которое MOSFET может выдержать в этих условиях. Лавинный пробой наступает, когда максимальное напряжение исток-сток превышает максимально допустимое и сквозь устройство проходит большой ток. чем выше напряжение лавинного пробоя, тем прочнее устройство. В условиях лавинного пробоя могут возникать два режима отказа, ведущих к разрушению транзистора. Наиболее разрушительным из них является «двуполярное защелкивание», которое происходит, когда ток устройства создает падение напряжения на внутреннем сопротивлении. Транзистор срабатывает, и возникает запирание паразитной двуполярной структуры. Известен также режим теплового отказа, когда в условиях лавинного пробоя температура устройства превышает максимальную температуру перехода. Trench-технология обеспечивает такие характеристики лавинного пробоя устройства, которые сопоставимы с транзисторами, изготовленными на основе передовой планарной технологии. чтобы обеспечить удовлетворительное функционирование транзисторов, выполненных по Trench-технологии, они полностью характеризуются энергией на переключение однократным импульсом (single pulse avalanche energy, EAS) вплоть до максимальной температуры перехода. чем выше этот показатель, тем прочнее устройство. Некоторые транзисторы характеризуются таким показателем как EAR (repetitive avalanche energy — повторяющаяся энергия лавинного пробоя). У устройств, изготовленных по Trench-технологии, величина сопротивления в открытом состоянии на 15% ниже на единицу площади, чем обеспечивает известная планарная технология, однако это достигается за счет большей энергии лавинного пробоя. Trench-технология позволяет на 10% уменьшить температурный коэффициент сопротивления в открытом состоянии. На рисунке 1 представлен график зависимости энергии на переключение однократным импульсом от температуры перехода MOSFET. Сопротивление в открытом состоянии, или RDS(ON), определяет потерю мощности и разогрев силового MOSFET. Чем меньше сопротивление в открытом состоянии, тем меньше потеря мощности и температура, при которой работает транзистор. При сравнительно малом RDS(ON) значительно смягчаются требования к рассеиванию тепла, что позволяет уменьшить число компонентов и стоимость сборки. Во многих приложениях малое RDS(ON) также исключает необходимость шунтировать MOSFET, что повышает надежность и уменьшает стоимость всей системы по сравнению с использованием транзисторов предыдущих поколений. Практически все MOSFET-транзисторы N-типа имеют меньшее сопротивление в открытом состоянии, чем устройства P-типа при одинаковых значениях рабочего напряжения. На рисунке 2 показано, как изменяется RDS(ON) в зависимости от температуры перехода для VGS = 4,5 и 10 В (VGS — напряжение затвористок). Максимальная температура перехода, TJ(max), является функцией элек- трических параметров устройства, а также типа используемого корпуса. Тепловые свойства корпуса определяют его способность отводить тепло от кристалла. Тепловое сопротивление «переход — внешняя среда» и «переход — корпус» характеризует способность MOSFET отводить тепло. Технические описания определяют тепловое сопротивление в единицах °C/Вт или K/Вт. чем меньше тепловое сопротивление корпуса, тем эффективнее он отводит тепло. В некоторых случаях теплоотвод требуется для поддержания температуры перехода устройства ниже максимального допустимого предела. Номинальный ток стока (ID) отражает способность MOSFET-транзистора управлять определенной нагрузкой. При работе в импульсном режиме ток стока может в несколько раз превы- шать номинальное значение параметра, допустимое при непрерывной работе. В импульсном режиме ширина импульса и коэффициент заполнения определяют безопасный ток стока и мощность, рассеиваемую устройством. На рисунке 3 представлена зависимость максимального тока стока от температуры корпуса. Область безопасной работы (Safe Operating Area, SOA) является функцией напряжения и тока MOSFET. Производители силовых полупроводников указывают в технических описаниях характеристику (см. рис. 4), которая определяет допустимую комбинацию напряжения и тока — область безопасной работы, вне которой устройство перегревается и дает сбои. заряд затвора зависит от емкости затвор-исток. чем меньше этот заряд, тем проще управлять транзистором. Суммарный заряд затвора QG влияет на максимальную частоту коммутации, при которой MOSFET еще надежно работает. чем меньше этот заряд, тем выше частота. Работа на высоких частотах позволяет использовать конденсаторы и индуктивности меньших номиналов и размеров, что является существенным преимуществом для систем, критичных к занимаемому пространству и стоимости. У некоторых новых MOSFET, выполненных по Trench-технологии, заряд затвора меньше, чем тот же показатель, обеспечиваемый использованием известных планарных методов. На рисунке 5 показано, как изменяется напряжение сток-исток стандартного N-канального MOSFET в зависимости от суммарного заряда затвора. Несмотря на то, что разработчику может оказаться полезным знать такие параметры как значения входных емкостей, эти характеристики не используются в расчете тока затвора для переключения устройства в заданное время. Данные параметры не дают точных результатов при сравнении параметров переключения двух устройств. Более полезной характеристикой, с точки зрения разработки схемы, является общий заряд затвора. Большинство производителей включает оба параметра в технические описания. зная общий заряд затвора, разработчик может вычислить ток в управляющей цепи для включения устройства в требуемый интервал времени, т.к. QG = ток × время. Например, устройство с зарядом затвора равным 20 нКл можно включать на 20 мс, если через затвор протекает ток величиной 1 мА, или на 20 нс при токе в 1 А. Рис. 3. Максимальный ток стока типового N-канального силового MOSFET Single Pulse Avalanche Energy (mJ) — энергия на переключение однократным импульсом, мДж; Case Temperature (°С) — температура корпуса, °С Рис. 4. Типичный вид области безопасной работы для N-канального силового MOSFET Drain-to-Source Current (A) — ток между стоком и истоком; Drain-to-Source Voltage (V) — напряжение сток-исток, В; Operation in This Area Limited by RDS(ON) — работа в этой области ограничена RDS(ON); Single Pulse — единичный импульс Рис. 5. Напряжение сток-исток N-канального MOSFET изменяется в зависимости от суммарного заряда затвора (QG) Gate-to-Source Voltage (V) — напряжение затвор-исток, В; Total Gate Charge (nC) — суммарный заряд затвора, нКл заряд затвора и сопротивление в открытом состоянии взаимосвязаны: чем меньше первый параметр, тем больше второй, и наоборот. Так сложилось, что производители MOSFET- транзисторов стремились, главным образом, уменьшить RDS(on), не уделяя большого внимания заряду затвора. Такое отношение изменилось за несколько последних лет с появлением новых решений и производственных технологий, благодаря которым были созданы устройства с меньшей величиной заряда затвора. Произведение RDS(on) × QG является тем критерием, который позволяет сравнивать разные силовые MOSFET-транзисторы для использования в Вч-системах. Пороговое напряжение VGS(th) — минимальное смещение затвор- исток, необходимое для образования проводящего канала между истоком и стоком. Как правило, это смещение измеряется при токе исток-сток равном 250 мкА. Для высоковольтных устройств с толстым оксидным слоем затвора типовое значение данного параметра составляет 2—4 В, а для менее мощных устройств с тонким оксидным слоем затвора, совместимых с логическими схемами, типовое значение этого параметра равно 1—2 В. В приложениях с батарейным питанием, где требуется сократить расход потребляемой мощности, используются транзисторы с меньшими величинами RDS(ON) и Vgs(th). Типовые значения порогового напряжения MOSFET логического уровня составляют 2–3 В. В других случаях этот параметр больше. На рисунке 6 показана зависимость порогового напряжения от температуры перехода. Потери мощности MOSFET связаны, главным образом, с их использованием в качестве силовых ключей. При включении MOSFET его потери зависят от произведения рабочего тока на сопротивление в открытом состоянии. В выключенном состоянии потери мощности определяются произведением тока в закрытом состоянии на RDS(ON). Потери возникают также при перехо- де транзистора из одного состояния в другое. На величину этих потерь влияет скорость переключения. Максимально допустимая рассеиваемая мощность PD определяется при максимально допустимой температуре перехода TJ(max). Как правило, этот параметр характеризует температуру корпуса при температуре внешней среды 25°C. TJ(max) обычно составляет 150–175°C. Полное тепловое сопротивление RθJC — импеданс «переход — корпус». Тепловое сопротивление стандартного корпуса для поверхностного монтажа достигает 30–50°C/Вт, тогда как у стандартного устройства TO-220 этот показатель составляет 2°C/Вт. В технических описаниях силового транзистора также приводится значение RθJA — теплового сопротивления «переход — внешняя среда». Параметр VSD характеризует максимальное падение прямого напряжения диода стока при заданном значении тока истока. значение VSD велико, но должно быть малым в приложениях, где напряжение исток-сток находится в отрицательном диапазоне, вызывая прямое смещение диода стока. Если это происходит, ток между истоком и стоком течет от стока на контакты истока по p-n-переходу прямо смещенного диода. Второй и наиболее главный проводящий канал образуется в том случае, если VGS >VGS(th). Малое напряжение и малое RDS(ON) силовых MOSFET-транзисторов используются в таком синхронном режиме выпрямления благодаря тому, что их прямое напряжение достигает 0,1 В, тогда как у стандартного диода Шоттки этот параметр равен 0,4—0,5 В. У высоковольтных устройств (> 100 В) максимальное значение VSD = 1,6 В, а у низковольтных устройств (< 100 В) VSD = 1,2 В. характеристика прямого напряжения стандартного диода исток-сток показана на рисунке 7. С помощью параметра dV/dt устанавливается максимальная скорость нарастания напряжения исток-сток. При превышении этого значения напряжение на выводах затвор-исток может превысить пороговое напряжение устройства, вынудив его перейти в режим проводимости тока и при определенных условиях — к катастрофическому разрушению. Известны два механизма индуцированного включения под воздействием большого значения dV/dt. Первый из них реализуется за счет обратной связи между емкостями затвор-сток (CGD) и затвор-исток (CGS), образующими емкостной делитель, который может генерировать импульсы амплитудой более VGS(th) и включать устройство при быстрых изменениях напряжения на стоке. К другому механизму относится линейное изменение напряжения на выводах стока и истока устройства. Как правило, втекающий ток драйвера проходит через сопротивление затвора (RG), переводя его потенциал на нижний логический уровень в отключенном состоянии. Если RG слишком велико, иногда имеется возможность изолировать драйвер от затвора, чтобы включить устройства. RG — полное сопротивление затвора в цепи. Второй механизм включения при нарастании напряжения dV/dt в MOSFET реализуется с помощью паразитного биполярного транзистора. Емкость CDB, образованная обедненным слоем внутреннего диода, простирается в зону дрейфа, оказываясь между основанием биполярного транзистора и стоком MOSFET. Наличие емкости приводит к появлению тока через сопротивление затвора RG, когда на выводах сток-исток возникает линейное изменение напря- жения. Эффекты статического электричества (ESD) — еще один механизм, который может повредить полупроводник. Электростатический заряд на теле человека, прикасающегося к MOSFET-транзистору, представляет собой серьезную угрозу для устройства. Во избежание повреждения этих транзисторов от электростатического разряда устанавливается номинальный допустимый диапазон напряжения 3000—5000 В. При обращении с MOSFET используются заземляющие браслеты и проводящие поверхности. характеристика переключения MOSFET определяется как время, необходимое для установления изменений напряжения на емкостях и тока на индуктивностях. RG является распределенным сопротивлением затвора, величина которого приблизительно обратно пропорциональна активной площади. Для поликремниевых затворов типичной величиной произведения RG на активную площадь является 20 Ом∙мм2. На рисунке 8 показаны паразитные элементы на входе MOSFET. LS и LD — индуктивности выводов истока и стока, соответ- ственно, величиной около нескольких десятков нГн. У силового MOSFET- транзистора имеется также несколько паразитных емкостей: CGS (затвор-исток), возникающая при перекрытии области поликремниевого затвора с истоком и слоями каналов. Эта величина лишь в малой степени зависит от приложенного напряжения. На рисунке 9 показано изменение паразитных емкостей в зависимости от напряжения сток-исток.
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Лавинный пробой наступает, когда максимальное напряжение исток-сток превышает максимально допустимое и сквозь устройство проходит большой ток
Нормированное изменение сопротивления в открытом состоянии в зависимости от температуры перехода для N-канального MOSFET
Максимальный ток стока типового N-канального силового MOSFET
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Типичный вид области безопасной работы для N-канального силового MOSFET
Напряжение сток-исток N-канального MOSFET изменяется в зависимости от суммарного заряда затвора (QG)
Пороговое напряжение затвора этого N-канального MOSFET составляет около 1,28 В при ID = 250 мкА и 25°С
Рисунок 7
Рисунок 8
Рисунок 9
Прямое напряжение внутреннего диода у N-канального MOSFET
Паразитные емкости типового N-канального MOSFET: C
Типичные кривые зависимости паразит- ных емкостей от напряжения сток-исток для N-канального MOSFET
CRSS — емкость обратной передачи между стоком и затвором при заземленном истоке. Эта емкость равна емкости затвор-сток. CRSS, которую также называют емкостью Миллера, является одним из основных параметров, определяющих время нарастания и спада импульсов выходного напряжения при коммутации. Кроме того, она также определяет время запаздывания при выключении. При увеличении напряжения сток-исток, в первую очередь, уменьшаются выходная емкость и емкости обратной передачи. Эффективность является важным критерием при проектировании DC/DC-преобразователей, которая определяет потери мощности, возникающие из-за переключения, наличия магнитных компонентов и выходного выпрямителя. Для уменьшения потерь мощности при переключении и на магнитных элементах требуются компоненты, которые эффективно работают на высоких частотах коммутации. В качестве выходных выпрямителей можно использовать диоды Шоттки, но большую эффективность обеспечивает синхронное выпрямление (см. рис. 10) на силовых MOSFET-транзисторах. У MOSFET-транзисторов меньше потери при прямой проводимости, чем у диодов Шоттки. В отличие от стандартных диодов с самокоммутацией, MOSFET-транзисторы переключаются управляющим сигналом затвора, синхронизованным с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является усложнение и стоимость при выборе MOSFET и соответствующей схемы управления. При меньшем выходном напряжении, однако, эти недостатки с лихвой компенсируются более высокой эффективностью во многих приложениях.

Корпуса MOSFET
MOSFET выпускаются в корпусах SOIC для приложений с жесткими требованиями к занимаемому пространству. Эти устройства изготавливаются также в корпусах TO-220, TO-247 и D2PAK, или SMD-220. К новым типам корпусов относятся DirectFET и PolarPak. Транзисторы с номинальным напряжением пробоя 55–60 В и пороговым напряжением затвора 2—3 В применяются, главным образом, в таких корпусах со сквозными отверстиями как TO-220, TO-247 или D2PAK под поверхностный монтаж. У корпусов со сквозными отверстиями очень малое тепловое сопротивление. Несмотря на более высокое тепловое сопротивление, корпуса SOIC под поверхностный монтаж находят все большее применение за счет непрерывного уменьшения сопротивления силовых MOSFET в открытом состоянии. Корпуса SOIC позволяют экономить пространство и упрощают сборку систем. В самом последнем поколении низковольтных силовых MOSFET используются корпуса CSP и BGA. Корпуса SO-8 уже давно широко применяются на протяжении нескольких лет, хотя и отрицательно влияют на электрические и тепловые характеристики. Корпус DPAK обходит тепловые ограничения SO-8, но его больший размер, сопротивление и индуктивность истока не позволяет использовать корпус в некоторых приложениях. В действительности, любое устройство с проводным монтажом и корпус SO-8, в частности, имеют следующие функциональные ограничения. Сопротивление внутренних монтажных проводов, соединяющих сток с выводами корпуса, увеличивает сопротивление в открытом состоянии и, следовательно, рассеиваемую мощность. – Индуктивность внутренних проволочных соединений приводит к возникновению индуктивности на выводах затвора, истока и стока, что сказывается на частоте коммутации MOSFET. Теплопроводность тракта, идущего от стока выводной рамки на печатную плату (ПП), увеличивает тепловой импеданс между переходом и ПП и рабочую температуру транзистора. Тепловой импеданс между выводом истока и платой может быть еще выше. Плохая теплопроводность между переходом и верхней поверхностью стандартного корпуса SO-8 с пластиковым покрытием может ограничивать охлаждение устройства и возможность рассеивания выделяемой мощности. Компания International Rectifier разработала технологию корпусирования DirectFET (см. рис. 11) для силовых MOSFET, которая позволяет эффективно охлаждать SO-8. У нового корпуса не только лучше охлаждается нижняя поверхность, но и охлаждаются обе стороны, что позволяет сократить колличество элементов на 60% и занимаемую площадь на плате на 50% по сравнению с устройствами, выполненными в стандартных или усовершенствованных корпусах SO-8. В результате появляется возможность увеличить плотность тока на единицу площади и сократить сто- имость системы. Семейство MOSFET- транзисторов DirectFET используется в чипсетах синхронных понижающих преобразователей на 20 и 30 В, а также для работы в Вч-системах. Устройства этого семейства выпускаются в корпусах трех разных размеров.
Рисунок 10
Рисунок 11
Рисунок 12
Рисунок 13
Технология DirectFET исключает необходимость в отдельных элементах корпуса, которые повышают индуктивность и сопротивление (тепловое и электрическое), обеспечивая такие характеристики потребления, которые превышают характеристики аналогов с теми же размерами корпусов
Корпус PolarPAK увеличивает рассеяние мощности MOSFET при той же площади печатной платы, что и у корпусов SO-8 или PowerPAK SO-8
Упрощенная схема синхронного выпрямителя состоит из двух силовых MOSFET, управляемых сигналами затвора, сдвинутыми по фазе
DrMOS — многокристальный модуль с MOSFET-ключами и драйверами затвора
Корпус с улучшенными тепловыми параметрами
PolarPAK — корпус от Vishay (см. рис. 12) с усовершенствованным теплоотводом от наружной части металлической выводной рамки, соединенной с поверхностью стока в дополнение к выводу истока, подключенному к печатной плате. PolarPAK облегчает монтаж компонентов на печатную плату благодаря использованию высокоскоростного сборочного оборудования, обеспечивая высокий выход годных в серийном производстве. Силовые MOSFET-транзисторы с корпусом PolarPAK имеют ту же посадочную площадь, что и стандартный корпус SO-8. Тепловое сопротивление верхней и нижней поверхностей PolarPAK равно 1°C/Вт. Таким образом, тепло рассеивается с двух сторон, что позволяет увеличить в два раза плотность тока по сравнению со стандартным корпусом SO-8. Благодаря лучшему тепловому импедансу «переход — внешняя среда» силовые MOSFET-транзисторы с корпусом PolarPAK могут работать на большей мощности или при меньшей температуре перехода. При этом появляется возможность уменьшить RDS(ON), что, в свою очередь, обеспечивает более высокую эффективность. Уменьшение температуры перехода всего на 20°C позволяет в 2,5 раза увеличить срок службы устройств. Семейство силовых MOSFET от Texas Instruments со стандартной площадью рассеивает тепло через верхнюю часть корпуса в сильноточных DC/DC-преобразователях. Ток силовых MOSFET-транзисторов DualCool NexFET на 50% больше, чем у других компонентов, выполненных в корпусах стандартных размеров. Усовершенствованная технология корпусирования позволяет сократить тепловой импеданс верхней части корпуса с 10—15 до 1,2°C/Вт, улучшив способность рассеивать мощность на 80%. Эффективный теплоотвод с двух сторон корпуса позволяет увеличить ток через транзистор на 50%, что, например, позволяет использовать процессоры большей мощности при тех же размерах оборудования. Компании Infineon Technologies и Fairchild Semiconductor договорились о совместном использовании для силовых MOSFET корпусов PowerStage и MLP, соответственно, размерами 3×3 мм. Преимущество этого соглашения заключается в возможности обмена опытом в создании асимметричных, сдвоенных и одиночных MOSFET для DC/DC-преобразователей, работающих в диапазоне токов 3—20 А. Компании Fairchild и Infineon стандартизировали разводку корпусов и усовершенствовали их характеристики, обеспечив на выбор два решения для высокоэффективных систем.

Спецификация DRMOS
Для конфигурации компактного масштабируемого многофазного преобразователя применяется спецификация DrMOS от Intel, созданная в 2004 г. На рисунке 13 представлена схема типового модуля DrMOS. Главным преимуществом использования такого модуля является возможность оптимизации рабочих характеристик отдельных ключей, тогда как у монолитного MOSFET — более высокое сопротивление в открытом состоянии. Однако стоимость компонентов многокристального модуля больше, чем у монолитного аналога. Разработчик должен учитывать стои- мость проектируемой системы с точки зрения сэкономленного пространства, минимизации шума и использования меньшего числа компонентов. чтобы обойти недостатки дискретных решений, где из-за паразитных элементов вкупе с большей занимаемой площадью существенно снижается эффективность системы, используется модуль DrMOS, который позволяет минимизировать тепловые и электрические эффекты и повысить совокупную эффективность системы. Ключ верхнего плеча оптимизирован по частоте коммутации, тогда как ключ нижнего плеча — по малому сопротивлению в открытом состоянии. Такой подход обеспечивает оптимальную коммутацию при малом коэффициенте заполнения для преобразования напряжения шины в напряжение для питания процессора.