Низковольтные MOSFET-транзисторы - одни из самых востребованных в настоящее время. Они находят широкое применение в каскадах DC/DC-преобразователей, коммутации и распределении цепей питания, а также защиты батарейных источников питания в потребительском, компьютерном и коммуникационном оборудовании. В условиях жесткой конкурентной борьбы и существования различного рода требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление, и при этом снизить себестоимость конечной продукции. Силовые коммутаторы, которые стали прочной нишей для использования MOSFET-транзисторов, наиболее чувствительны к этим характеристикам. Они порой предъявляют полярные требования к силовому MOSFET-транзистору, требуя в одном случае поиска транзистора с минимальным сопротивлением открытого канала RDS(ON), как в случае статического ключа, а в другом - с минимальным зарядом затвора (QG), как в случае высокочастотного ШИМ-коммутатора. Прежде эти условия приводили к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. Необходимо было также выбрать оптимальное соотношение занимаемой площади и рассеиваемой мощности. Однако совершенствование технологий производства MOSFET-транзисторов позволило компенсировать влияние данных противоречий. Наиболее весомых результатов в этом добилась компания International Rectifier, которая на данный момент выпускает лучшие в отрасли транзисторы по соотношению цена-качество. Очередной рывок в улучшении характеристик MOSFET-транзисторов компания сделала в 2007 году с представлением новой низковольтной технологии Trench FET Gen10.59 [1], позволяющей выпускать транзисторы с улучшенными рабочими характеристиками по цене ниже, чем у конкурентов. Новые транзисторы доступны в корпусах SO-8, PQFN и DirectFET, которые дают разработчику возможность добиться требуемого качества работы силового коммутатора в обмен на некоторое повышение сложности монтажа корпусов на печатную плату (см. рисунок 1).

Рис. 1. Зависимость сложности монтажа корпусов SO-8, PQFN и DirectFET от их теплорассеивающих свойств 

MOSFET-ТРАНЗИСТОРЫ В КОРПУСЕ SO-8

Основные характеристики новых MOSFET-транзисторов, относящихся к поколению Gen10.59 и размещенных в корпусе SO-8, сведены в таблицу 1.

Таблица 1. MOSFET-транзисторы в корпусе SO-8   

Здесь представлены одиночные и сдвоенные транзисторы на токи от 8 до 25 А, а также одновременное сочетание малых значений R_DS(ON) и Q_G. Благодаря этому данные транзисторы могут равно эффективно использоваться в различных силовых каскадах. Например, широко применяющаяся в настоящее время топология понижающего DC/DC-преобразователя с синхронным выпрямлением требует применения полумостового коммутатора, в нижнем плече которого преобладают потери проводимости (то есть важен выбор транзистора с минимальным R_DS(ON)), а в верхнем - потери коммутации, которые тем выше, чем выше частота коммутации (то есть важен выбор транзистора с минимальным Q_G). Доступность MOSFET-транзисторов с высокими рабочими характеристиками позволяет построить силовой каскад на транзисторах одной и той же марки с сохранением высокого уровня его эффективности. Кроме того, малые значения Q_G также позволяют добиться низкого собственного потребления силовым каскадом в режиме коммутации на холостом ходу, что важно для применений с ограниченным бюджетом электропотребления в дежурном режиме. Корпус SO-8 выгодно отличается как малой стоимостью изготовления, так и малыми затратами на его монтаж. Учитывая все вышеперечислленое, рассматриваемые транзисторы можно назвать лучшими в отрасли по соотношению цена-качество.

Как следует из таблицы 1, транзисторы разделяются на одиночные и сдвоенные. Одиночные используют стандартное расположение выводов (см. рисунок 2а), поэтому могут служить недорогой и более эффективной заменой для множества транзисторов разных производителей. В частности, транзистор IRF8736 может заменить более 30 наименований (ст. таблицу 2).

Таблица 2. IRF8736 заменяет более 30 наименований MOSFET-транзисторов  

Применение сдвоенных транзисторов выгодно в тех случаях, когда в силовых каскадах используется несколько транзисторов и одновременно требуется повысить плотность монтажа и/или снизить количество комплектующих элементов. На данный момент доступны следующие сдвоенные n-канальные MOSFET-транзисторы: IRF8313PBF содержит два полностью идентичных и независимых n-канальных MOSFET-транзистора (рисунок 2б), а IRF8513PBF - два отличающихся по характеристикам n-канальных MOSFET-транзистора, включенных по схеме полумостового коммутатора (рисунок 2в). Каждый из этих сдвоенных транзисторов оптимизирован для использования в высокоэффективных понижающих DC/DC-преобразователях с синхронным выпрямлением.

Рис. 2. Расположение выводов и схема внутренних подключений MOSFET транзисторов в корпусе SO-8

MOSFET-ТРАНЗИСТОРЫ В КОРПУСЕ PQFN

Сведения по транзисторам в корпусе PQFN представлены в таблице 3.

Таблица 3. MOSFET-транзисторы в корпусе PQFN  

Наименование	BVDSS, В	RDS(on) (VGS = 10 В), мОм, не более	RDS(on) (VGS = 4,5 В), мОм, не более	ID (TA = 25°C), A	Qg (тип), нКл	Типоразмер корпуса PQFN, мм	Переход из SO-8
IRFH3702	30	7,1	11,8	16	9,6	3х3
IRFH3707	30	12,4	17,9	12	5,4	3х3
IRFH7932	30	3,3	3,9	24	34	5x6	IRF7862PBF
IRFH7934	30	3,5	5,1	24	20	5x6	IRF8734PBF
IRFH7936	30	4,8	6,8	20	17	5x6	IRF8736PBF
IRFH7921	30	8,5	12,5	15	9,3	5x6	IRF8721PBF
IRFH7914	30	8,7	13	15	8,3	5x6	IRF8714PBF

Транзисторы разделены на две серии IRFH79xx и IRFH37xx. Серия IRFH79xx поставляется в корпусе типоразмера 5х6 мм, который занимает точно такую же площадь и использует то же посадочное место, что и корпус SO-8. Кроме того, у данных транзисторов сохранено идентичное транзисторам в корпусе SO-8 расположение выводов (см. рисунок 3).

Рис. 3. Внешний вид и расположение выводов MOSFET транзисторов в корпусе PQFN

Благодаря этим особенностям, переход от корпуса SO-8 к корпусу PQFP реализуется достаточно просто, но при этом разработчик может использовать ряд преимуществ нового корпуса:

• высота корпуса PQFP равна 0,9мм, что вдвое меньше по сравнению с корпусом SO-8;

• выводы корпуса PQFP обладают более низким активным сопротивлением, благодаря чему, при прочих равных условиях, транзисторы, размещенные в этом корпусе, способны работать с более высоким током стока;

• корпус PQFN обладает улучшенными тепловыми характеристиками; данное свойство может быть реализовано в целях повышения плотности мощности или снижения рабочей температуры 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, когда транзистор используется в роли силового ШИМ-коммутатора).

Дополнительным стимулом к использованию корпуса PQFN является его сравнительно невысокая стоимость.

Серия IRFH37xx на данный момент представлена двумя транзисторами на максимальные токи 12 и 16 А. Главным их отличием является размещение в корпусе PQFN меньшего типоразмера (3х3 мм), который при сохранении высоты на прежнем уровне (0,9 мм) позволяет уменьшить занимаемую на плате площадь на 70%. Вследствие этого повышается плотность мощности, однако у этоготипоразмера корпуса PQFN снижены теплорассеивающие свойства.

При обосновании выбора данных транзисторов также необходимо учитывать, что корпус PQFN относится к безвыводному типу корпусов, поэтому для обеспечения высокого качества продукции требуется применение более сложных технологий пайки и контроля качества пайки, чем могло бы потребоваться при использовании корпуса SO-8.

MOSFET-ТРАНЗИСТОРЫ DIRECTFET ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

Очередной шаг в улучшении рабочих характеристик силового коммутатора представляют собой транзисторы, выполненные по специальной технологии корпусирования DirectFET. В таблице 4 представлены основные характеристики тех транзисторов DirectFET, кристаллы которых выполнены по новой технологии Gen10.59. Такие транзисторы также называются транзисторами DirectFET второго поколения или DirectFET2.

Таблица 4. MOSFET-транзисторы DirectFET 2  

Отличия конструкции и расположение выводов использующихся здесь типоразмеров корпусов DirectFET представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Внешний вид и расположение выводов транзисторов DirectFET 2 

В дополнение к уже рассмотренным преимуществам, которые дает технология Gen10.59, транзисторы DirectFET также предлагают множество других преимуществ, основанных на особенностях конструкции их корпусов. По сути, они представляют собой изготовленный особым образом кристалл, дополненный сверху медной крышкой-кожухом. В верхней части кристалла размещена контактная площадка стока (скрыта кожухом), а в нижней - затвора и истока (видны в нижней части корпуса). Сток кристалла электрически соединен с кожухом и, поэтому, последний также выполняет роль выводов стока. Кристалл крепится к кожуху с помощью компаунда. Благодаря такой конструкции достигнуто снижение высоты корпуса до 0,7 мм и существенно улучшен показатель эффективности корпуса (отношение площадей кристалла и корпуса). У транзисторов DirectFET этот показатель достигает 90%. Другая особенность конструкции транзисторов DirectFET заключается в том, что у них не используется разварка кристалла - контактные площадки напрямую соединены с кристаллом. Благодаря этому, исключены свойственные другим корпусам электрические и тепловые сопротивления элементов, обеспечивающих подключение кристалла к выводам на корпусе. Эта особенность также позволила свести до минимума паразитную индуктивность выводов транзистора, и поэтому они обеспечивают более высокое качество переходных процессов (примеры осциллограмм можно посмотреть в [1]).

Особенности конструкции транзисторов DirectFET уникальным образом отразились на их теплорассеивающих свойствах. В отличие от пластиковых корпусов, в том числе SO-8 и PQFN, корпус DirectFET обладает хорошим теплорассеиванием как с поверхности корпуса, так и в направлении печатной платы. Вследствие этого, к ним неприменимы традиционные методики теплового расчета, которые учитывают отвод тепла в одном из направлений. Тепловая модель транзисторов DirectFET описывается тремя тепловыми сопротивлениями: R1 (переход - вывод истока), R2 (переход - кожух) и R3 (кожух-основание платы). Подробная методика теплового расчета приводится в [2]. Компания IR также предлагает Web-инструмент, автоматизирующий расчет теплового режима транзистора, который доступен по ссылке http://www.irf.com/product-info/directfet/thermalcalc.html. Наличие металлического кожуха также предоставляет возможность дальнейшего увеличения эффективности отвода тепла с помощью закрепленного внешне радиатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология Gen10.59 позволяет сделать новый виток в направлении улучшения рабочих характеристик низковольтных силовых коммутаторов, выполненных на основе MOSFET-транзисторов и применяемых в современных каскадах преобразования, распределения и коммутации напряжения. Кроме того, имея доступ к еще более совершенным технологиям корпусирования, пользователь получает возможность дальнейшего усиления качества работы силового коммутатора.