Tranzystory i moduły mocy International Rectifier

Transkrypt

1 Tranzystory i moduły mocy International Rectifier Firma International Rectifier (IR) jest jednym ze światowych liderów rynku półprzewodników stosowanych w systemach przetwarzania energii - od cyfrowych, analogowych i mieszanych układów scalonych, po zaawansowane elementy dyskretne. Podzespołów IR uŝywają najbardziej znani producenci komputerów, sprzętu gospodarstwa domowego, samochodów, elektroniki powszechnego uŝytku i sprzętu wojskowego, stale poprawiając jakość, cechy uŝytkowe i sprawność swoich wyrobów. Jednym z najwaŝniejszych produktów firmy są tranzystory mocy, które mimo swojej długiej historii ciągle są podstawowymi i dynamicznie rozwijającymi się komponentami współczesnej elektroniki. Tranzystory MOSFET Tranzystory mocy MOSFET są sztandarowymi produktami International Rectifier. Rozwijając ich technologię od ponad 30 lat, firma stała się jednym z niekwestionowanych liderów w tej dziedzinie, zdobywając szereg patentów zarówno w zakresie budowy struktur półprzewodnikowych tranzystorów, jak i innowacyjnych obudów zapewniających wydajne odprowadzanie ciepła oraz minimalizację pojemności i indukcyjności pasoŝytniczych. Tranzystory z firmowej rodziny HEXFET wyróŝniają się relatywnie niewielkimi rozmiarami oraz małą rezystancją w stanie włączenia i małym ładunkiem bramki, co zapewnia minimalizację strat mocy w stanie przewodzenia i przełączania oraz duŝą częstotliwość pracy, umoŝliwiając osiągnięcie rekordowych gęstości upakowania i sprawności urządzeń, w których są stosowane. Tranzystory HEXFET, jako elementy uniwersalne, znajdują szerokie zastosowanie we wszelkiego rodzaju układach przetwarzania energii, w tym przetwornicach DC/DC, zasilaczach impulsowych, układach UPS, ale takŝe wzmacniaczach audio, układach napędu i sterowania silników elektrycznych oraz innych przekształtnikach i przełącznikach mocy. Dzięki temu moŝna je znaleźć we wszelkiego rodzaju aplikacjach profesjonalnych i powszechnego uŝytku, w sprzęcie przemysłowym, komputerowym i telekomunikacyjnym, RTV i AGD, a takŝe w urządzeniach samochodowych i wojskowych. International Rectifier oferuje wszystkie typy tranzystorów mocy MOSFET: zarówno stanowiące główną część oferty tranzystory z kanałem typu N, jak teŝ MOSFET-y z kanałem typu P. Firma ma w ofercie tranzystory dyskretne, jak równieŝ ze zintegrowaną diodą Schottky'ego, a takŝe zintegrowane w jednej obudowie pary tranzystorów: 2 x N, 2 x P oraz P/N. W sumie oferta obejmuje kilkaset typów o ciągłych prądach drenu od ułamków ampera do nawet A i maksymalnych napięciach dren-źródło sięgających kilkuset woltów. Najczęściej jednak parametry te zawierają się w granicach kilku - kilkadziesięciu amperów i mniej więcej V. Rezystancja drenu, zaleŝnie od wielkości i technologii tranzystora, wynosi od ok. jednego do setek mω (typowo kilka - kilkadziesiąt mω), a przełączania przekraczają 1 MHz. Bardzo istotnym zagadnieniem w przypadku tranzystorów mocy jest technologia obudów, bowiem bardzo często moŝliwości obudowy są podstawowym czynnikiem ograniczającym wydajność uŝytej struktury półprzewodnikowej. Zdecydowana większość MOSFET-ów International Rectifier jest oferowana w popularnych obudowach stosowanych powszechnie w innych tranzystorach i układach scalonych, wyróŝniających się relatywnie niewielkimi wymiarami, niskimi kosztami i łatwością montaŝu. - 1

2 Rys. 1. Zdecydowana większość MOSFET-ów International Rectifier jest oferowana w popularnych obudowach, wyróŝniających się niewielkimi wymiarami, niskimi kosztami i łatwością montaŝu. Są to zarówno obudowy do montaŝu przewlekanego, takie jak róŝne odmiany TO-220, TO262, I-Pak czy TO-247, jak teŝ obudowy SMD, w tym D-Pak, D2-Pak, TSOP, TSSOP, SO SOT-23 lub SOT-223. Oczywiście typy i rozmiary zastosowanych obudów są adekwatne do prądów i napięć pracy tranzystorów, przy czym wart podkreślenia jest fakt, Ŝe IR jest mistrzem wykorzystania moŝliwości tych obudów, osiągając rekordowe wydajności zamkniętych w nich struktur. Rys. 2. International Rectifier jest mistrzem wykorzystania moŝliwości standardowych obudów tranzystoeowych, takich jak SOT-23, osiągając rekordowe wydajności zamkniętych w nich struktur. Dobrym przykładem jest tu tranzystor IRFB4127PBF w standardowej obudowie TO220AB, o napięciu przebicia dren - źródło 200 V i maksymalnym ciągłym prądzie drenu (przy TC = 25 oc) 76 A, czy teŝ oferowany w tej samej obudowie IRLB3813PBF, o odpowiednich parametrach 30 V, 260 A. Tak samo tranzystory IRFP4668PBF (odpowiednio 200 V, 130 A) i IRFP4004PBF (40 V, 195 A) w większych obudowach TO247AC oraz IRFS4127PBF (200 V, 76 A) i IRLS3034PBF (40 V, 195 A) w obudowach D2-Pak do montaŝu powierzchniowego. W przypadkach, gdy moŝliwości standardowej obudowy są niewystarczające, potrzebne są innowacje, i na tym polu IR równieŝ naleŝy do liderów. Pierwszy kierunek rozwoju w firmie -2

3 opiera się na modyfikacji istniejących obudów, głównie w celu zmniejszenia rezystancji wyprowadzeń i poprawienia sprawności odprowadzania ciepła. Jedną z metod jest zwiększenie liczby wyprowadzeń, a przykładem są tu 7-końcówkowe D2-Pak-7. Taki zabieg umoŝliwia osiągnięcie znacząco większych prądów drenu bez zbytniego zwiększania rozmiarów obudowy. Na przykład tranzystor IRLS3034-7PPBF w obudowie D2-Pak-7 charakteryzuje się maksymalnym prądem drenu (ograniczonym moŝliwościami obudowy) 240 A, a więc o 45 A większym niŝ jego odpowiednik w standardowej obudowie 3- końcówkowej. Rys. 3. Jedną z metod zwiększenia prądu drenu tranzystora bez zbytniego powiększania jego rozmiarów jest zastosowanie większej liczby wyprowadzeń - przykładem są tu 7- końcówkowe obudowy D2-Pak. Inna metoda polega na powiększeniu ramki wyprowadzeń. W ten sposób powstały opatentowane przez IR rozwinięcia standardowych obudów tranzystorowych - Super-220 (TO-273AA) i Super-247 (TO-274AA) - zapewniające lepsze odprowadzanie ciepła i umoŝliwiające osiągnięcie większych prądów niŝ w porównywalnych tranzystorach zamkniętych w obudowach TO-220 i TO-247. Przykładowo tranzystor IRFBA1404PPBF w obudowie Super-220 charakteryzuje się napięciem przebicia dren-źródło 40 V i maksym. ciągłym prądem drenu (przy T C = 25 o C) 206 A, a tranzystor IRFPS3810PBF (obudowa Super-247) osiąga parametry odpowiednio 100 V, 170 A. Ciągłe dąŝenie do poprawy często przeciwstawnych parametrów, takich jak minimalne rozmiary, maksymalny prąd drenu, jak najmniejsze straty mocy w stanie przewodzenia i przełączania oraz jak największe częstotliwości przełączania, doprowadziło do konieczności uŝycia zupełnie nowych obudów do montaŝu powierzchniowego, zapewniających jeszcze lepszą sprawność odprowadzania ciepła ze struktury półprzewodnikowej, mniejszą rezystancję wyprowadzeń oraz mniejsze pojemności i indukcyjności pasoŝytnicze. Coraz częściej są stosowane róŝnych rozmiarów obudowy PQFN o bardzo dobrym stosunku prądu do zajmowanej powierzchni oraz opatentowane przez IR obudowy DirectFET, zapewniające bardzo małe indukcyjności wyprowadzeń i bardzo dobre odprowadzanie ciepła dzięki dwustronnemu chłodzeniu. - 3

4 Rys. 4. Firma coraz częściej stosuje róŝnych rozmiarów obudowy PQFN o bardzo dobrym stosunku prądu do zajmowanej powierzchni - tu obudowa PQFN o wymiarach jedynie 2x2 mm, pozwalająca osiągnąć prądy drenu rzędu kilkunastu amperów. Przykładami moŝliwości, jakie dają te obudowy, są tranzystory IRFH5004PBF w obudowie PQFN 5 mm x6 mm (40 V, 100 A), IRFH3702PBF w obudowie PQFN 3 mm x 3 mm (30 V, 25 A) i IRLHS6342PBF w obudowie PQFN 2 mm x 2 mm (30 V, 12 A) - wszystkie o grubości poniŝej 1 mm. A takŝe IRF6775MTRPbF w obudowie DirectFET MZ 5 mm x 6 mm (150 V, 28 A), IRF8302MPbF w obudowie DirectFET MX 5 mm x 6 mm (30 V, 190 A) oraz IRF7779L2TRPbF w obudowie DirectFET L8 7 mm x 9 mm (250 V, 67 A) - o wysokości jedynie 0.7 mm. Rys. 5. Opatentowane przez International Rectifier obudowy DirectFET zapewniają bardzo małą rezystancję i indukcyjność wyprowadzeń oraz bardzo dobre odprowadzanie ciepła dzięki dwustronnemu chłodzeniu. Tranzystory IGBT W aplikacjach wymagających większych prądów i napięć, i w których wystarczają mniejsze częstotliwości przełączania, stosuje się tranzystory bipolarne z izolowaną bramką, czyli IGBT. Tranzystory te w wydaniu International Rectifier są istotnym uzupełnieniem - 4

5 firmowej oferty i wydaje się, Ŝe ich konstruktorom przyświeca podobna idea jak w przypadku opisywanych wcześniej MOSFET-ów: aby w popularnych, tanich obudowach tranzystorowych upakować elementy przełączające o jak największej mocy. Ze względu na swoje cechy - większe prądy i napięcia pracy, a więc i większe rozmiary struktur półprzewodnikowych - IGBT International Rectifier są dostępne tylko w większych obudowach, takich jak róŝne odmiany TO-220 i TO-247 oraz TO-262 i TO-274AA (Super 247) do montaŝu przewlekanego, a takŝe D-Pak i D2-Pak do montaŝu powierzchniowego. Firma oferuje obecnie kilkaset typów IGBT - zarówno dyskretnych, jak i ze zintegrowaną diodą antyrównoległą, o maksymalnych ciągłych prądach kolektora od kilku do ponad 100 A i maksymalnych napięciach kolektor-emiter dochodzących do 1200 V. PrzewaŜnie jednak są to elementy kilkudziesięcioamperowe, na napięcia 600 V lub nawet 1200 V, w obudowach TO-220AB i TO-247AC. Z innych istotnych parametrów naleŝy wymienić napięcie kolektoremiter w stanie włączenia, zawierające się w granicach V, zaleŝnie od wielkości tranzystora, oraz maksymalną częstotliwość przełączania - od pojedynczych kiloherców do nawet 150 khz. ZaleŜnie od parametrów, w tym głównie częstotliwości przełączania, tranzystory IGBT są stosowane w wolniejszych układach przetwarzania energii o małej i średniej mocy, takich jak sterowniki elementów grzejnych, układy napędowe silników czy niezbyt szybkie przetwornice zasilające, w których są ciągle bardziej ekonomiczną alternatywą dla MOSFET-ów. Rys. 6. Tranzystory IGBT są istotnym uzupełnieniem oferty International Rectifier w aplikacjach wymagających większych prądów i napięć, w których wystarczają mniejsze częstotliwości przełączania. Dobrym przykładem IGBT International Rectifier do stosunkowo wolnych aplikacji jest dyskretny tranzystor IRG4PH50SPBF - w obudowie TO-247AC, o maksymalnym napięciu kolektor-emiter 1200 V, maksymalnym prądzie kolektora 57 A (przy T C = 25 o C), napięciu V CE w stanie włączenia 1.7 V i maksymalnej częstotliwości przełączania 1 khz. Podobne zastosowanie ma IRG4BC40SPBF w obudowie TO-220AB, o odpowiednich parametrach 600 V, 60 A, 1.5 V i 1 khz. Znacznie szybszymi elementami, o maksymalnej częstotliwości przełączania 30 khz, są zintegrowane z diodami tranzystory IRGP4063DPBF w obudowie TO-247AC (600 V, 96 A), IRGB4062DPBF w obudowie TO-220AB (600 V, 48 A) oraz IRG4BC20KD-SPBF w obudowie D2-Pak (600 V, 16 A). Tranzystory i moduły do zastosowań specjalnych - 5

6 Oprócz elementów uniwersalnych, International Rectifier oferuje szeroką gamę tranzystorów i modułów tranzystorowych przystosowanych do zastosowania w konkretnych dziedzinach i konkretnych aplikacjach. Przy tym firma oferuje często nie tylko same elementy mocy, ale równieŝ całe zestawy złoŝone z szeregu towarzyszących im elementów dyskretnych, układów scalonych i modułów, uzupełnionych o stosowną dokumentację techniczną i aplikacyjną. I chociaŝ te pozostałe elementy nie są tematem tego tekstu, warto o nich wspomnieć, poniewaŝ znacznie upraszczają realizację docelowych projektów. Bardzo duŝą grupę w ofercie firmy stanowią tranzystory do aplikacji automotive, spełniające restrykcyjne wymagania odnośnie zakresu temperatur, odporności na przepięcia, wstrząsy i wibracje oraz inne niekorzystne czynniki spotykane w środowisku samochodowym. Odpowiednią kwalifikację do takich zastosowań ma np. duŝa część MOSFET-ów produkcji IR, w tym zarówno tranzystory w obudowach SMD takie jak AUIRF1405ZS (D2-Pak, 55 V, 150 A), równieŝ elementy w tradycyjnych obudowach do montaŝu przewlekanego, np. AUIRF1010Z (TO-220AB, 55 V, 94 A) czy AUIRL3705ZL (TO-262, 55 V, 86 A), a takŝe tranzystory podwójne takie jak AUIRF7103QTR (SO-8, 50 V, 2 x 3 A). Rys. 7. Bardzo duŝą grupę w ofercie firmy stanowią tranzystory do aplikacji automotive, spełniające restrykcyjne wymagania odnośnie zakresu temperatur, odporności na przepięcia, wstrząsy i wibracje oraz inne niekorzystne czynniki spotykane w środowisku samochodowym. Niektóre tranzystory, przeznaczone do konkretnych aplikacji, są wyposaŝone w dodatkowe elementy zabezpieczające. Dobrym przykładem jest tu tranzystor IGBT do układów zapłonowych IRGS14C40LPBF (D2-Pak, 430 V, 20 A), zawierający diody poziomujące (clamp) bramka-emiter i bramka-kolektor zapewniające maksymalną odporność na przepięcia. Bardzo ciekawą grupę stanowią moduły IPM (Intelligent Power Modules) z serii imotion - układy hybrydowe zawierające trójfazowe mostki IGBT, sterowniki bramek oraz komplet obwodów zabezpieczających - zamknięte w niewielkiej izolowanej obudowie SIP, radykalnie upraszczające konstruowanie napędów niewielkich silników AC, głównie do zastosowania w sprzęcie AGD. Dobrymi przykładami są tu moduły IRAMS10UP60A o maksymalnym napięciu 600 V i prądzie na fazę do 10 A RMS oraz IRAMX20UP60A o parametrach odpowiednio 600 V i 20 A RMS. - 6

7 Rys. 8. Bardzo ciekawą grupę produktów International Rectifier stanowią moduły z serii imotion - układy hybrydowe radykalnie upraszczające konstruowanie napędów niewielkich silników AC, głównie do zastosowania w sprzęcie AGD. Nowe technologie, nowe produkty Niewątpliwie International Rectifier naleŝy do liderów rynku tranzystorów mocy MOSFET i IGBT w zakresie małych i średnich mocy i, jak przystało na lidera, ciągle intensywnie pracuje nad rozwojem. Działania rozwojowe koncentrują się zarówno na doskonaleniu technologii struktur półprzewodnikowych, metod montaŝu w obudowach, jak i konstrukcji samych obudów, przyczyniając się do opracowania kolejnych nowych produktów umoŝliwiających przetwarzanie coraz większych mocy, bez znaczącego zwiększania rozmiarów i kosztów. Najnowszy przykład to tzw. obudowa WideLead TO-262, która dzięki odpowiedniemu zwielokrotnieniu kilku standardowych wyprowadzeń pozwala o ok. 50% zmniejszyć rezystancję wyprowadzeń i o 30% zwiększyć maksymalny prąd drenu zamkniętego w niej tranzystora. Jednocześnie firma cały czas pracuje nad rozwiązaniami systemowymi, dostarczając coraz bardziej kompletne zestawy podzespołów, dokumentacji i wzorców, które pozwalają wydatnie ułatwić i przyspieszyć rozwiązywanie problemów konstrukcyjnych jej klientów. Znanym w Polsce dystrybutorem International Rectifier, oferującym praktycznie cały asortyment produktów, jest firma Transfer Multisort Elektronik, która dzięki rozbudowanym zasobom magazynowym wiele z podzespołów IR moŝe zaoferować wprost "z półki". - 7