MOSFET International Rectifier в малогабаритных корпусах

Развитие технологий производства MOSFET направлено на постоянный рост удельной мощности кристалла при уменьшении сопротивления канала в открытом состоянии, или, если более точно, задача состоит в снижении комплексного показателя потерь, который учитывает суммарные потери на переключение и проводимость. Чаще всего MOSFET применяются в качестве ключа с высокой частотой переключения. В этих схемах силовой транзистор должен выполнять противоречивые требования. С одной стороны, необходимо минимальное сопротивление канала R_ds(on). С другой стороны, MOSFET должен иметь минимальное значение суммарного заряда затвора, который определяет скорость переключения силового ключа. Развитие технологий новых поколений полевых транзисторов позволяет ослабить противоречия между статическими и динамическими параметрами MOSFET.

Новые Р- и N-канальные MOSFET в стандартном корпусе SOT-23 имеют ультранизкое сопротивление открытого канала R_ds(on) и предназначены для применения в переключателях зарядных устройств аккумуляторных батарей, коммутаторах нагрузки, электроприводах, телекоммуникационном оборудовании и т.д. Новая линейка транзисторов перекрывает диапазон напряжений –30…100 В и имеет различные значения R_ds(on) и заряда затвора (QG), что позволяет инженерам иметь более широкий выбор для разработки компактных, эффективных, в том числе и по цене, решений. Основные параметры этих транзисторов приведены в таблице 1.

	Корпус	Uси (макс), В	Uзи (макс), В	Iстока при 25°С, А	R ds(on) при Uзи = 10 В, мОм		R ds(on) при Uзи = 4,5 В, мОм		QG*, нКл (тип.)
					Тип.	Макс.	Тип.	Макс.
IRLML9301	SOT-23	-30	±20	-3,6	51	64	82	103	4,8
IRLML9303	SOT-23	-30	±20	-2,3	135	165	220	270	2,0
IRLML0030	SOT-23	30	±20	5,3	22	27	33	40	2,6
IRLML2030	SOT-23	30	±20	2,7	80	100	123	154	1,0
IRLML0040	SOT-23	40	±16	3,6	44	56	62	78	2,6
IRLML0060	SOT-23	60	±16	2,7	78	92	78	116	2,5
IRLML2060	SOT-23	60	±16	1,2	356	480	475	640	0,67
IRLML0100	SOT-23	100	±16	1,6	178	220	190	235	2,5

*QG — полный заряд затвора.

В таблице 2 для сравнения приведены параметры R_ds(on) транзисторов с N-каналом транзисторов других производителей. IRLML030 заменяют с улучшением по параметру R_ds(on) транзисторы PMV45EN (NXP), FDN359BN, FDN357N и NDS355AN (Fairchild), Si2306BDS и Si2304BDS (Vishay). Для оптимальной замены по параметрам и цене MGSF1N03LT1 (On Semiconductor), FDN361BN и NDS351AN можно использовать транзисторы MOSFET IRLML2030. Конечно, если транзисторы в схеме будут работать на высоких частотах переключения, то при замене необходимо обращать внимание на динамические параметры ключей (полный заряд затвора, паразитные емкости и время переключения).

	Uзи макс., В	R ds(on) при Uзи = 10 В		R ds(on) при Uзи = 4,5 В		Производитель
		R ds(on тип.	R ds(on) макс.	R ds(on) тип.	R ds(on) макс.
IRLML0030	30	22	27	33	40	IR
PMV45EN	30	35	42	45	54	NXP
FDN359BN	30	26	46	32	60	Fairchild
Si2306BDS	30	38	47	52	65	Vishay
FDN357N	30	53	60	81	90	Fairchild
Si2304BDS	30	55	70	80	105	Vishay
NDS355AN	30	65	85	105	125	Fairchild
IRLML2030	30	80	100	123	154	IR
MGSF1N03LT1	30	80	100	125	145	OnSemi
FDN361BN	30	92	110	120	160	Fairchild
NDS351AN	30	92	160	120	250	Fairchild

При расчете схемы к значениям R_ds(on), указанным в документации, следует относиться очень внимательно. Производители обычно указывают этот параметр при температуре 25°С, но маловероятно, что кристалл ключевого транзистора при работе схемы останется при 25°С. На рисунке 1 показана нормированная зависимость сопротивления канала в открытом состоянии от температуры кристалла. Из этого графика видно, что R_ds(on) увеличивается более чем на 50% при достижении максимально допустимой рабочей температуры, что необходимо учитывать при работе ключа в режимах, близких к предельным.

Рис. 1. Нормированные значения зависимости R ds(on) от температуры для IRLML0030

International Rectifier выпустила ряд новых MOSFET с одиночным и сдвоенным каналом Р-типа, которые выполнены в корпусе SO-8 и рассчитаны на напряжение сток – исток 30 В. Среди всех транзисторов в новом семействе (см. табл. 3) минимальное сопротивление открытого канала (всего 4,6 мОм при максимальном токе 20 А) имеет транзистор IRF9310PBF. Наилучшие динамические характеристики у транзистора IRF9335PBF — минимальное значение заряда затвора 4,7 нКл, при этом максимальный ток составляет 5,4 А. Новые Р-канальные MOSFET демонстрируют существенное улучшение значений тока по сравнению с транзисторами предыдущих поколений и предлагают разработчикам широкий выбор диапазонов значений R_ds(on).

	Корпус	Uси (макс), В	Uзи (макс), В	Iстока при 25°С, А	R ds(on) при Uзи = –10 В, мОм		R ds(on при Uзи = –4,5 В, мОм		QG* при Uзи = 4,5 В, нКл (тип.)
					Тип.	Макс.	Тип.	Макс.
IRF9310	SO-8	-30	±20	-20	3,9	4,6	5,8	6,8	58
IRF9317	SO-8	-30	±20	-16	5,4	6,6	8,3	10,2	31
IRF9321	SO-8	-30	±20	-15	5,9	7,2	9,3	11,2	34
IRF9328	SO-8	-30	±20	-12	10,0	11,9	16,1	19,7	18
IRF9332	SO-8	-30	±20	-9,8	13,6	17,5	22,5	28,1	14
IRF9333	SO-8	-30	±20	-9,2	15,6	19,4	25,6	32,5	14
IRF9335	SO-8	-30	±20	-5,4	48	59	83	110	4,7
IRF9362	SO-8 (dual)	-30	±20	-8,0	17,0	21	25,7	32	13

*QG — полный заряд затвора.

Быстрыми темпами начинают завоевывать российский рынок MOSFET в корпусе PQFN. Эффективность этих транзисторов выше, чем у транзисторов в других корпусах (за исключением DirectFET). Помимо более низкого активного сопротивления выводов корпус PQFN характеризуется улучшенными тепловыми характеристиками. Таким образом, можно существенно повысить плотность мощности или снизить температуру транзистора при его работе. Например, при использовании транзисторов в качестве синхронных выпрямителей можно существенно снизить температуру корпуса и повысить надежность схемы. Транзисторы предназначены для работы в схемах синхронного выпрямления, приложениях типа OR’ING (силовая схема «ИЛИ» для соединения источников питания) и многих других. Основные параметры силовых полевых транзисторов в корпусах PQFN сведены в таблицу 4.

	Корпус	Uси (макс), В	Uзи (макс), В	Iстока при 25°С, А	R ds(on при Uзи = 10 В, мОм		R ds(on при Uзи = 4,5 В, мОм		QG*, нКл (тип.)
					Тип.	Макс.	Тип.	Макс.
IRFHM831	PQFN 3×3	30	±20	40	6,6	7,8	10,7	12,6	7,3
IRFHM830D	PQFN 3×3	30	±20	40	3,4	4,3	5,7	7,1	13
IRFHM830	PQFN 3×3	30	±20	40	3,0	3,8	4,8	6,0	15
IRFH5303	PQFN 5×6	30	±20	82	3,6	4,2	5,7	6,8	15
IRFH5304	PQFN 5×6	30	±20	79	3,8	4,5	5,8	6,8	16
IRFH5306	PQFN 5×6	30	±20	44	6,9	8,1	11,0	13,3	7,8
IRFH5255	PQFN 5×6	25	±20	51	5,0	6,0	8,8	10,9	7,0
IRFH5250D	PQFN 5×6	25	±20	100	1,0	1,4	1,7	2,2	39

*QG — полный заряд затвора.

Переход от корпуса SO-8 к корпусу PQFN осуществляется достаточно просто. При этом разработчик может использовать ряд преимуществ корпуса PQFN:
– высота корпуса PQFN равна всего 0,9 мм, что вдвое меньше по сравнению с корпусом SO-8;
– выводы корпуса PQFN имеют более низкое активное сопротивление, благодаря чему, при прочих равных условиях, транзисторы, размещенные в этом корпусе, способны работать с более высоким током стока;
– корпус PQFN имеет улучшенные тепловые характеристики.
Последнее свойство позволяет повысить плотность мощности или уменьшить рабочую температуру транзистора (по данным производителя применение корпуса PQFN позволяет снизить температуру корпуса приблизительно на 30°С, когда транзистор используется в качестве синхронного выпрямителя, и приблизительно на 10°С, если транзис­тор используется в роли силового ШИМ-коммутатора). Дополнительным стимулом к использованию корпуса PQFN является его сравнительно невысокая стоимость.
Главным отличием силовых полевых транзисторов является возможность их размещения в корпусе PQFN меньшего типоразмера (3×3 мм), который при сохранении высоты на прежнем уровне (0,9 мм) позволяет уменьшить занимаемую на плате площадь на 70%.

Наиболее часто MOSFET применяются в качестве ключей, работающих на высоких частотах переключения. В этих случаях приходится внимательно рассматривать динамические параметры ключей, т.к. быстрое переключение мощных полевых транзисторов требует переноса заряда затвора за короткий промежуток времени. Динамические характеристики MOSFET зависят от емкостей транзистора, которые показаны на рисунке 2. Наибольшее влияние на скорость переключения полевого транзистора оказывает обратная передаточная емкость C_RSS или емкость Миллера (неслучайно емкость C_GD на рисунке 2 показана как переменная). При изменении напряжения на стоке, большая часть тока управления с выхода драйвера затвора течет именно в емкость Миллера, поэтому производители при разработке новых транзисторов в первую очередь уделяют внимание именно емкости C_RSS. Обратите внимание, что емкость Миллера C_GD входит также в состав входной и выходной емкостей.

Рис. 2. Емкости MOSFET

Следует учитывать, что и сами емкости MOSFET во многом зависят от приложенного к ним напряжения. Рисунок 3 иллюстрирует типовые зависимости емкостей MOSFET при изменении напряжения сток — исток. Из него видно, что при уменьшении напряжения между стоком и истоком (т.е. при открывании транзистора) емкости затвор — исток и затвор – сток резко увеличиваются, что усложняет расчет временных характеристик ключевой схемы. Для корректного расчета динамических параметров ключевых схем на полевых транзисторах лучше всего использовать заряд затвора Q_G. Заряд затвора определяется как заряд, который необходимо приложить к затвору, чтобы добиться полного переключения транзистора. Заряд затвора имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения затвор – исток, что показано на рисунке 4.

Рис. 3. Типовые зависимости емкостей MOSFET при разных напряжениях сток – исток

Рис. 4. Типовая зависимость заряда затвора MOSFET от напряжения затвор – исток

Заряд Q_GS определяется входной емкостью (заряжается емкость затвор – исток). Почти горизонтальный участок графика характеризует заряд емкости затвор – сток (емкос­ти Миллера). Второй подъем графика иллюстрирует заряд обеих емкостей, необходимый для переключения транзистора при конкретном напряжении и токе. Заряд Q_G на рисунке 4 определяет полный заряд затвора. Именно такой заряд необходимо передать на вход MOSFET, чтобы достигнуть полного открытого состояния полевого транзистора.

Меньшая входная емкость полевого транзистора не всегда означает, что этот транзистор имеет более высокое быстродействие по сравнению с тем, у которого входная емкость больше. Подтверждением этому является график на рисунке 5.

Рис. 5. Сравнение энергии переключения двух MOSFET

Красная линия графика соответствует зависимости заряда затвора транзистора 1 от напряжения затвор — исток. График синего цвета характеризует аналогичную зависимость для второго полевого транзистора. Транзистор 1 имеет более высокую входную емкость, т.к. наклон характеристики (из нулевой точки графика) у него меньше, чем у второго MOSFET. Напряжения затвор – исток Q_GS1 и Q_GS2 у обоих транзисторов примерно одинаковы, потому что транзистор 1 имеет более высокую проводимость и, следовательно, требует меньшего напряжения на затворе для конкретного значения тока запуска (Q_GS1 меньше Q_GS2). Из этого следует, что заряд Миллера, поступающий в затвор транзистора 1 меньше заряда Миллера, поступающего в затвор второго MOSFET. Другими словами, полный заряд затвора Q1, необходимый для переключения транзистора  1, оказывается меньше заряда Q₂, требуемого для переключения второго MOSFET. Если бы сравнение этих транзисторов делалось только на основе величин входных емкостей, то был бы сделан неправильный вывод, что транзистор 2 лучше первого, что в данном примере неверно.
Другим очень важным параметром MOSFET является энергия переключения. Энергия переключения — это произведение заряда затвора на напряжение затвора. Энергия определяется площадью прямоугольника, угол которого находится в точке переключения (точка «А» для транзистора 1 и точка «В» для транзистора 2). На рисунке 5 хорошо видно, что энергия переключения первого транзистора гораздо меньше, чем у второго. Или другими словами, для переключения первого транзистора требуется драйвер с меньшим выходным током.
Учитывая рассмотренное выше сравнение, при выборе MOSFET, работающего на высоких частотах переключения, необходимо обязательно обращать внимание на энергию переключения. Конечно, сравнивать транзисторы необходимо при одинаковых условиях измерений.

Для получения технической информации, заказа образцов и поставки MOSFET IR пишите по адресу: power.vesti@compel.ru