Журнал "Новости Электроники", номер 18, 2008 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 18, 2008 год.Новая серия МОП-транзисторов IRFP4xxx с ультранизким сопротивлением каналаЕвгений Звонарев (КОМПЭЛ) Новая серия мощных МОП-транзисторов IRFP4xxx компании International Rectifier (IR) с ультранизким сопротивлением канала позволяет существенно повысить КПД преобразования электрической энергии и значительно сократить потери проводимости в конверторах.

 

Отличительная особенность новой серии IRFP4xxx, производимой по новейшей технологии Trench HEXFET Power MOSFETs, - уменьшенное сопротивление Rds(on) до 2,5 раз по сравнению с транзисторами предыдущего поколения. Все они выпускаются в стандартном популярном корпусе TO-247AC, что позволяет существенно снизить стоимость готового устройства. Производитель рекомендует следующие области применения новых МОП-транзисторов:

синхронные выпрямители телекоммуникационных и промышленных преобразователей энергии с напряжением шин питания до 80 В;мощные инверторы постоянного и переменного тока;источники бесперебойного питания (UPS);силовые O'Ring узлы (замена диодов Шоттки в мощных схемах ИЛИ для суммирования выходных токов);привод электроинструмента; промышленный привод постоянного тока с батарейным питанием от 12 до 80 В (электрокары, вилочные подъемники);силовая автоэлектроника - мощные DC/DC-преобразователи для сетей 14 В/42 В, инверторы стартер-генераторов и электромеханических усилителей руля;инверторы солнечных батарей.

 

Преимущества по отношению к предыдущим поколениям MOSFET

На рисунке 1 представлено сравнение Rds(on) новых транзисторов (выделены желтым цветом) и лучших приборов предыдущего поколения IR (выделены синим цветом).

 

 

Рис. 1. Сравнение Rds(on) транзисторов новой серии IRFP4xxx и приборов предыдущих
поколений

В таблицу 1 сведены для сопоставления основные параметры транзисторов, производимых по новейшей технологии, и некоторых предыдущих серий MOSFET в корпусе ТО-247АС.

Таблица 1. Параметры новых полевых транзисторов IRFP4xxx и транзисторов IR предыдущих поколений в корпусе TO-247AC Наименование Vси, макс,
В Rds(on)
макс.,
мОм, 
Vзи=10 В Iстока,
A, 
  t° = 25°C Iстока,
A, 
t° = 100°C Qg.*,
тип., 
нКл Qgd**,
тип.,
нКл Rth(JC)***,
К/Вт Мощ-
ность,
Вт, макс. 
(при t°=25°C) IRFP4004PBF (New) 40 1,7 350**** 250**** 220 75 0,40 380 IRFP044N 55 20,0 53 37 40,7 16,0 1,5 100 IRFP1405 55 5,3 160 110 120,0 53,3 0,49 310 IRFP064N 55 8,0 98 69 113,3 50,0 1,0 150 IRFP054N 55 12,0 72 51 86,7 35,3 1,2 130 IRFP048N 55 16,0 62 44 59,3 26,0 1,2 130 IRFP064V 60 5,5 130 95 173,3 62,7 0,60 250 IRFP054V 60 9,0 93 66 113,3 39,3 0,85 180 IRFP3206PBF 60 3,0 200 140 120,0 35,0 0,54 280 IRFP3306PBF 60 4,2 160 110 85,0 26,0 0,67 220 IRFP2907Z 75 4,5 170 120 180,0 65,0 0,49 310 IRFP4368PBF (New) 75 1,8 350**** 250**** 380,0 105,0 0,29 520 IRFP3077PBF 75 3,3 200 140 160,0 42,0 0,44 340 IRFP2907 75 4,5 177 125 410,0 140,0 0,45 330 IRFP4710 100 14,0 72 51 110,0 40,0 0,81 190 IRFP4410ZPBF 100 9,0 97 69 83,0 27,0 0,65 230 IRFP150V 100 24,0 46 32 86,7 28,7 1,1 140 IRFP150N 100 36,0 39 28 73,3 38,7 1,1 140 IRFP140N 100 52,0 27 19 62,7 28,7 1,6 94 IRFP3710 100 25,0 51 36 66,7 17,3 0,83 180 IRFP4310ZPBF 100 6,0 134 95 120,0 35,0 0,54 280 IRFP4468PBF (New) 100 2,6 290**** 200**** 360,0 89,0 0,29 520 IRFP4110PBF 100 4,5 180 130 150,0 43,0 0,40 370 IRFP3415 150 42,0 43 30 133,3 65,3 0,75 200 IRFP4321PBF 150 15,5 78 55 71,0 21,0 0,49 310 IRFP4568PBF (New) 150 5,9 171**** 121**** 151,0 55,0 0,29 517 IRFP4227PBF 200 25,0 65 46 70,0 23,0 0,45 330 IRFP260N 200 40,0 49 35 156,0 73,3 0,50 300 IRFP4668PBF (New) 200 9,7 130 92 161,0 52,0 0,29 520 IRFP90N20D 200 23,0 94 66 180,0 87,0 0,26 580 IRFP250N 200 75,0 30 21 82,0 38,0 0,70 214 IRFP4332PBF 250 33,0 57 40 99,0 35,0 0,42 360 IRFP4229PBF 250 46,0 44 31 72,0 26,0 0,49 310 IRFP4232 250 35,7 60 42 160,0 60,0 0,35 430 IRFP4242PBF 300 59,0 46 33 165,0 61,0 0,35 430 *     Qg - Total Gate Charge - суммарный (полный) заряд затвора
**    Qgd - Gate-to-Drain («Miller») Charge - заряд затвора, обусловленный эффектом Миллера
***  Rth(JC) - тепловое сопротивление «переход-корпус» (Junction-to-Case), измеренное
ри температуре около 90°С
**** Максимальный ток, ограниченный кристаллом
ток, ограниченный выводами корпуса, см. в документации производителя).

Необходимо обратить внимание на то, что новые транзисторы IRFP4004PBF, IRFP4368PBF, IRFP4468PBF, IRFP4568PBF имеют ограничение тока из-за сопротивления выводов корпуса ТО-247АС, а не из-за кристалла (кристалл способен на гораздо большее). При расчетах схем с этими транзисторами и сравнении с аналогичными приборами целесообразнее ориентироваться на сопротивление канала в открытом состоянии, не забывая об ограничении тока выводами корпуса ТО-247АС. В новой серии появился транзистор IRFP4004PBF с максимальным напряжением сток-исток 40 В (см. рисунок 1), обладающий рекордно низким сопротивлением Rds(on) 1,7 мОм (это максимальное значение, типовое значение обычно еще меньше). Однако за это приходится расплачиваться увеличением заряда затвора, что влечет за собой выбор драйверов MOSFET с большими выходными токами, короткими фронтами и малыми задержками, хотя выбор таких драйверов достаточно велик и обычно не вызывает никаких затруднений. Все новые транзисторы обладают очень низкими значениями теплового сопротивления переход-корпус, что позволяет более эффективно отводить тепло от кристалла. Нужно отметить, что пять новых транзисторов заменяют большое количество транзисторов предыдущего поколения International Rectifier (см. таблицу 1) и некоторые MOSFET известных фирм Fairchild, ST, IXYS (см. таблицы 2 и 3).

Таблица 2. Сравнение параметров новых транзисторов IR серии IRFP4xxx с аналогичными от других производителей Произво-
дитель Наименова-
ние Vси,
макс.,
В Rds(on)
макс.,
мОм,
Vзи=
10 В Iстока,
A,
t°=
25°C Qg.*,
тип.,
нКл Qgd**,
тип.,
нКл Rth(JC)
***
К/Вт Мощ-
ность,
Вт,
макс.
(при
t°=
25°C) Корпус (Rds IR)/
(Rds
другого
произво-
дителя) IR IRFP4004PBF 40 1,7 350**** 220,0 75,0 0,40 380 TO-247AC   Fairchild FDA8440 40 2,1 100 345 74 0,49 306 TO-247AC 0,81 IR IRFP4368PBF 75 1,8 350**** 380,0 105,0 0,29 520 TO-247AC   Fairchild FD038AN08A1 75 3,5 80 125   0,33 450 TO-247AC 0,51 STM STW220NF75 75 4,4 120 500 135 0,3 460 TO-247AC 0,4 IR IRFP4468PBF 100 2,6 290**** 360,0 89,0 0,29 520 TO-247AC   Fairchild HUF75652G3 100 8 75 475 74 0,29 515 TO-247AC 0,32 IXYS IXTR200N10P 100 8 120 235   0,5 300 Super247 0,32 IXYS IXFX250N10P 100 6,5 250 205   0,12 1250 Super247 0,31 IR IRFP4568PBF 150 5,9 171**** 151,0 55,0 0,29 517 TO-247AC   Fairchild HUF7588G3 150 16 75 480 66 0,3 500 TO-247AC 0,4 IXYS IXTQ120N15P 150 16 120 150   0,25 600 TO-3P 0,35 IXYS IXTQ150N15P 150 13 150 190   0,21 714 TO-3P 0,45 IR IRFP4668PBF 200 9,7 130 161,0 52,0 0,29 520 TO-247AC   Fairchild FQA65N20 200 32 65 200 75 0,4 310 TO-3P 0,3 IXYS IXTH96N20 200 24 96 145   0,25 600 TO-247AC 0,4 IXYS IXTQ120N20 200 22 120 152   0,21 713 TO-3P 0,44 *, **, ***, **** - расшифровка приведена в таблице 1.

 

Таблица 3. Рекомендуемые замены от IR для транзисторов с близкими параметрами других производителей

Произво-
дитель Наименова-
ние Прямая
замена
от IR Замена
от IR с
улучшением
параметров Возмож-
ная
замена
от IR Корпус
других
произво-
дителей Корпус
IR Внешний
вид
корпусов   FDA8440 - IRFP4004PBF - TO-3P TO-247   FDH038AN08A1 - IRFP4368PBF - TO-247 TO-247 HUF75653G3 - IRFP4468PBF - TO-247 TO-247 HUF75882G3 - IRFP4568PBF - TO-247 TO-247 FQA65N20 - IRFP4668PBF - TO-247 TO-247   STW200NF75 IRFP4368PBF - - TO-247 TO-247     IXTR200N10P - - IRFP4468PBF ISO247 TO-247   IXFX250N10P - - IRFP4468PBF PLUS247 TO-247 IXTQ120N15P - IRFP4568PBF - TO-3P TO-247 IXTQ150N15P - - - TO-3P TO-247 IXTH96N20 IRFP4668PBF - - TO-247 TO-247 IXTQ120N20 - IRFP4668PBF - TO-3P TO-247


 

Сравнение новых Trench HEXFET Power MOSFETs с аналогами других производителей

Среди транзисторов с напряжением сток-исток 40 В прибор IRFP4004PBF не имеет аналогов. По сопротивлению канала с ним может конкурировать только транзистор IR в дорогом 7-выводном корпусе для поверхностного монтажа IRF2804S-7P. Самый близкий прибор от другого производителя - это FDA8440 с сопротивлением канала 2,1 мОм от компании Fairchild (параметры для сравнения приведены в таблице 2). В крайнем правом столбце таблицы 2 для всех транзисторов других производителей указано отношение сопротивлений Rds(on) близкого по параметрам транзистора IR к Rds(on) конкретного транзистора другого производителя. Все эти соотношения меньше 1, что говорит о том, что сопротивление канала транзисторов IR меньше или гораздо меньше аналогичного параметра приборов фирм Fairchild, ST и IXYS.

В диапазоне напряжений сток-исток 55...75 В бесспорным лидером является IRFP4368PBF. Сопротивление канала 1,8 мОм в сочетании с остальными параметрами обеспечивают ему большой отрыв от популярных IRFP044N, IRFP048N и IRFP064N (диапазон 55 В). 75-вольтовый новый транзистор IRFP4368PBF с успехом заменяет 60-вольтовые IRFP064V, IRFP054V, IRFP3206PBF, IRFP3306PBF и очень популярный 75-вольтовый IRFP2907Z. У нового транзистора IRFP4368PBF сопротивление канала снижено в 2,5 раза по сравнению с лучшим прибором IR предыдущего поколения IRFP2907Z. Ближайшие конкуренты для напряжения 75 В от компаний Fairchild - FD038AN08A1 и от компании ST - STW220NF75 имеют сопротивление канала 3,5 и 4,4 мОм соответственно (см. таблицу 2).

В диапазоне 100 В тон задает IRFP4468PBF c сопротивлением канала 2,6 мОм. 100-вольтовый транзистор IR предыдущего поколения IRFP4110PBF имеет Rds(on) 4,5 мОм, а ближайшие по параметрам 100-вольтовые HUF75652G3 (Fairchild) и IXTR200N100P (IXYS) - 8 мОм, а IXFX250N10P (IXYS) - 6,5 мОм. Однако последние два транзистора фирмы IXYS выпускаются в более дорогих корпусах Super247.

Диапазон 150 В. Здесь в большом отрыве IRFP4568PBF с сопротивлением канала 5,9 мОм. Среди догоняющих - 150-вольтовые HUF75882G3 компании Fairchild с Rds(on) 16 мОм, а также IXTQ120N15P и IXTQ150N15P компании IXYS с сопротивлениями канала 16 и 13 мОм соответственно. Справедливости ради нужно отметить, что транзисторы IXYS производятся в более дорогих корпусах ТО-3Р.

Наконец, мы подошли к диапазону 200 В. Здесь самый сильный игрок - новый транзистор IRFP4668PBF с сопротивлением канала 9,7 мОм, что для 200-вольтовых приборов является эталонным показателем при таком напряжении. Ближайшие транзисторы этого класса FQA65N20 (Fairchild) имеют Rds(on) 32 мОм, а IXTH96N20 и IXTQ120N20 компании IXYS - 24 и 22 мОм соответственно. Однако кристаллы FQA65N20 и IXTQ120N20 упакованы в более дорогие корпуса ТО-3Р, что дает дополнительное преимущество транзистору IRFP4668PBF. 200-вольтовые транзисторы предназначены для работы в телекоммуникационных источниках питания с шиной с постоянным напряжением до 80 В.

В таблице 3 приведены рекомендуемые замены от International Rectifier для МОП-транзисторов компаний Fairchild, ST, IXYS.

В некоторых случаях один новый МОП-транзистор IR может заменить до трех параллельно включенных транзисторов IR предыдущих поколений в диапазоне 100...200 В. Кроме того, при параллельном соединении транзисторов добавляются сопротивления соединительных проводников, которые при токах десятки и сотни Ампер могут существенно ухудшать статические и динамические параметры эквивалентного транзистора. Цена одного нового транзистора меньше стоимости трех параллельно включенных приборов предшествующих поколений. При этом можно уменьшить размер радиатора и снизить температуру в блоке. Следует учесть, что при снижении температуры в блоке на 10 процентов срок службы электролитических конденсаторов удваивается. Как известно, именно электролитические конденсаторы в большинстве случаев определяют время безотказной работы силового преобразователя.

 

Графические зависимости основных параметров 40-вольтового IRFP4004PBF

На рисунке 2 приведены зависимости сопротивления канала в открытом состоянии (максимальное значение при Uзи = 10 В) от температуры перехода и полного заряда затвора Qg от напряжения Uзи для транзистора IRFP4004PBF.

 

 

Рис. 2. Зависимости Rds(on) от температуры перехода, заряда затвора от напряжения затвор-исток для транзистора IRFP4004PBF

Новейшая технология Trench HEXFET обеспечивает низкий рост сопротивления открытого канала от температуры перехода. Новые транзисторы серии IRFPxxx обеспечивают высокие динамические характеристики при низкой мощности управления, устойчивость к лавинному пробою и надежную работу в режимах жесткого переключения в широком диапазоне частот.

На рисунке 3 приведены выходные характеристики IRFP4004PBF (графики снимались при длительности импульсов менее 60 мкс и температурах перехода 25°С и 175°С).

 

 

Рис. 3. Выходные характеристики IRFP4004PBF при длительности импульса менее 60 мкс

Нижние кривые иллюстрируют работу транзистора при управляющем напряжении 4,5 В, что близко к логическим уровням цифровых микросхем с питанием от 5 В.

На рисунке 4 иллюстрируется зависимость максимально допустимых токов транзистора IRFP4004PBF от температуры корпуса, ограниченных кристаллом и выводами корпуса транзистора.

 

 

Рис. 4. Максимальные токи IRFP4004PBF, ограниченные кристаллом и выводами
корпуса TO-247AC

К сожалению, полностью реализовать потенциал кристалла транзистора IRFP4004PBF в корпусе ТО-247АС невозможно (для этого нужен более мощный корпус), однако и корпус ТО-247АС ограничивает ток для IRFP4004PBF на уровне 195 А (режимы измерения см. в документации производителя), что является очень высоким показателем для приборов такого класса.

 

Заключение

Главные преимущества новых МОП-транзисторов IR - ультранизкое сопротивление открытого канала и недорогой стандартный корпус ТО-247АС. При модернизации серийно выпускаемых преобразователей энергии в большинстве случаев достаточно без изменения схемы и печатной платы заменить используемые ранее транзисторы на новые из серии IRFP4xxx. При замене нескольких параллельно включенных транзисторов на один новый получается ощутимый выигрыш в цене и надежности за счет снижения выделяемого тепла и увеличения срока службы электролитических конденсаторов. Всего пять новых транзисторов могут заменить большое количество транзисторов IR предыдущих поколений и довольно большое количество аналогичных приборов других производителей (см. таблицы 1, 2 и 3 данной статьи). В статье рассмотрены транзисторы только наиболее популярных мировых производителей MOSFET, хорошо известных нашим разработчикам, но, конечно, читатель может попробовать заменить и транзисторы от производителей, не рассмотренных выше.

 

Ответственный за направление в КОМПЭЛе - Людмила Горева

 

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка -
e-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript  

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.