Активная деятельность Microsemi на рынке электронных компонентов, включающая в себя как производство новых устройств, так и поглощение профильных компаний, выпускающих интересные и перспективные изделия, приводит к тому, что линейка ее продукции постоянно увеличивается. В настоящее время спектр предлагаемых полупроводниковых устройств, отличающийся огромным разнообразием, простирается от обычных дискретных полупроводниковых приборов до высокоинтегрированных ИС, выполняющих функции обработки, передачи и хранения информации. Но у многих разработчиков название Microsemi прежде всего ассоциируется с силовыми диодами, транзисторами и модулями на их основе.
ВВЕДЕНИЕ
Силовая электроника – интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятельности человека – промышленность, добывающие отрасли, транспорт, связь. Приборы силовой электроники представляют собой мощные электронные устройства, работающие, как правило, в импульсных режимах и позволяющие изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Наблюдаемый в последние годы на мировом рынке повышенный спрос на изделия силовой электроники и соответствующая активность в области их разработок и производства обусловлены тем, что именно они во многих случаях являются основой для создания современного высокотехнологичного оборудования [1].
Модернизация силовых полупроводниковых устройств идет по пути повышения энергоэффективности (обеспечения минимальных потерь мощности), быстродействия и надежности с одновременным уменьшением массово-габаритных характеристик при максимально возможной мощности. Прогресс в современной силовой электронике тесно связан со значительным улучшением параметров мощных, практически идеальных ключей на базе полевых транзисторов (MOSFET) и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), быстродействующих диодов и силовых модулей.В основном это достигается совершенствованием технологий изготовления и использованием широкозонных материалов (карбида кремния, нитрида галлия)при создании мощных приборов с требуемыми характеристиками.
В области напряжений 200-1000 В рынок уверенно завоевывают полевые транзисторы (MOSFET), модули и интеллектуальные силовые ИС на их основе, вытесняя биполярные транзисторы. Это в первую очередь связано отличными эксплуатационными характеристиками MOSFET: высокой скоростью коммутации, низкими статическими и динамическими потерями, малой мощностью управления, высокой стойкостью к перегрузкам. Область применения MOSFET – преобразователи частоты и напряжения мощностью до 10 кВт с частотами преобразования до единиц МГц.
Большую популярность приобретают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Удачное сочетание свойств биполярных и MOSFET транзисторов (малая мощность управления, высокая скорость коммутации, прямоугольная область безопасной работы, способность работать параллельно без выравнивающих элементов, малое падение напряжения в открытом состоянии, высокое предельное напряжение) делают IGBT практически идеальными силовыми ключами. Параметры IGBT постоянно улучшаются производителями (прямое падение напряжения с 4 В у первого поколения уменьшилось в настоящее время до 1,2 В у четвертого поколения, аналогично предельная частота переключения увеличилась с 5 кГц до 150 кГц и более). Самая распространенная область применения – схемы инверторов напряжения, включая многоуровневые, с рабочими напряжениями до нескольких кВ и токами порядка 100 А. Данные преобразователи используются в электроприводах различного назначения, в мощных системах генерирования электрической энергии постоянного и переменного тока, в мощных преобразователях автомобилей, а также в различных видах сварочного оборудования.
По мнению зарубежных аналитиков, к числу наиболее перспективных также относится производство силовых модулей. Для улучшения технико-экономических показателей силовых электронных устройств (конвертеров, регуляторов и др.) используются интегрированные силовые ключи, объединенные по типовым, наиболее распространенным схемам преобразования параметров электрической энергии. На основе последовательного и параллельного соединений транзисторов создаются модули ключей с двунаправленной проводимостью, работающие в цепях постоянного и переменного тока. Введение дополнительных схем защиты от воздействия высоких напряжений и температур повышает надежность и длительность эксплуатации. Из основных областей применения можно отметить гибридные системы электропитания (ветроэлектроэнергетика, солнечная электроэнергетика), сварочные агрегаты, устройства регулирования электроприводов постоянного и переменного тока, источники бесперебойного питания промышленного оборудования.
Microsemi Corporation, как разработчик высоконадежных дискретных компонентов для космической, военной и авиационной областей, большое внимание уделяет улучшению их рабочих параметров и предельных характеристик. Продукция силовой электроники компании применяется в различных системах электропитания: вычислительных комплексах, базовых станциях беспроводной связи, промышленных системах, медицинских приборах, лазерах, в оборудовании для производства полупроводников, сварочных аппаратах и системах электропитания для аэрокосмической отрасли [2]. Рассмотрим далее основные группы изделий, уделяя особое внимание новинкам [3].
СИЛОВЫЕ ДИОДЫ
Компанией Microsemi выпускается пять различных семейств кремниевых диодов с быстрым восстановлением (FRED),а также ряд диодов на основе SiC. Диоды данных серий отличаются высокой скоростью переключения и мягким восстановлением, обеспечивающим минимизацию потерь при коммутации. Они разработаны для высококачественных решений, работающих в широком диапазоне напряжений,и удовлетворяют самым жестким требованиям, предъявляемым к мощным высоковольтным устройствам. Выпускаются одиночные и сдвоенные диоды на напряжения от 200 до 1700 В и токи от 15 до 100 А. Серия DL характеризуется низким значением прямого напряжения (VF) и ультрамягким восстановлением. Она позиционируется для выпрямительных и резонансных схем. Диоды D серии, предназначенные для применения в импульсных источниках питания со средними частотами переключения, рассчитаны на напряжения 200, 300, 400, 600, 1000 и 1200В. Используемая в производстве запатентованная технология платинового легирования понижает уровень токов утечки и улучшает надежность работы при повышенных температурах. Компоненты DQ серии с рабочим напряжением 600, 1000 и 1200В и широким диапазоном номинальных мощностей отличаются низким зарядом обратного восстановления (QRR) и используются в устройствах с высокой частотой коммутации.
Высокоскоростные диоды серии DS предназначены для применения в высококачественных корректорах коэффициента мощности, где время обратного восстановления должно быть минимальным. Кремниевые диоды Шоттки, обозначаемые литерой S в шифре компонента, рассчитаны на напряжение 200В, благодаря своей конструкции они обладают малым напряжением VF (менее 1 В) и низкими потерями при восстановлении. Малый разброс значений прямого напряжения упрощает параллельное соединение диодов. Корпуса с допустимой температурой эксплуатации 175°С разработаны с использованием пассивации для повышения надежности в условиях повышенной влажности (рис. 1).
В последнее время наблюдается повышенный интерес к диодам Шоттки на основе карбида кремния. Как известно, существенный вклад в потери источников электропитания вносит эффект обратного восстановления мощных высоковольтных диодов [4]. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радиопомех, что требует применения экранирования, увеличивающего массу и габариты устройства. Использование диодов с ультрабыстрым восстановлением (FRED) позволяет лишь частично снизить влияние указанных проблем, оптимальным же решением является внедрение диодов Шоттки на основе карбида кремния (рис. 2).
Ключевое преимущество карбидокремниевых диодов Шоттки Microsemi заключается в их исключительных динамических характеристиках, основной причиной которых является отсутствие тока обратного восстановления. Вместо этого существует лишь незначительный ток, вызванный зарядом емкости перехода QС и не зависящий от скорости нарастания тока. В результате это приводит к уменьшению прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники [5].
Еще одно преимущество SiC диодов над традиционными кремниевыми – высокая плотность мощности при очень малых размерах кристалла, получаемая из-за трехкратного выигрыша по проводимости. Следствием этого является повышение КПД, особенно на малых нагрузках и высоких частотах переключения (более 500 кГц), а также уменьшение габаритов внешних индуктивных компонентов (например, в ККМ дроссель повышающего преобразователя является одним из основных компонентов, определяющих массогабаритные показатели). Также использование в качестве материала основы карбида кремния с более высоким напряжением пробоя позволило значительно увеличить уровни рабочих напряжений.
SiC диоды компании Microsemi серий SCE и SCD с диапазоном максимальных рабочих токов от 10 до 30 А и максимальными обратными напряжениями 650, 1200 и 1700 В выпускаются в популярных малогабаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа (таблица 2). Компоненты могут успешно применяться в импульсных источниках питания, инверторах, корректорах коэффициента мощности и другом высоконадежном силовом оборудовании различного назначения.
Из основных характеристик стоит отметить малый ток утечки (типовое значение 10 мкА), полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC, а также низкое тепловое сопротивление переход-корпус, не превышающее для ряда моделей 0,7 °С/Вт. Падение напряжения имеет положительный температурный коэффициент, что значительно упрощает использование диодов при их параллельном включении, так как в этом случае не требуются согласующие резисторы для выравнивания их токов.
СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Биполярные транзисторы с изолированным затвором компании Microsemi предназначены для высококачественных решений в широком диапазоне напряжений и мощностей. Диапазон частот работы транзисторов охватывает от нескольких килогерц в низкочастотных применениях до 150кГц в импульсных источниках питания с высокой удельной мощностью (рис. 3).
Компания Microsemi предлагает несколько семейств транзисторов IGBT, изготовленных по трем технологиям: Punch-Through (PT), Non-Punch-Through (NPT) и FieldStop (FS). Все IGBT транзисторы выпускаются в типовых корпусах для монтажа в отверстия (TO-220, TO-247, T-MAX, TO-264 или SOT-227), наряду со стандартными устройствами с целью упрощения разработки доступны модели со встроенными анти параллельными диодами DQ или SiC серий. В таблице 3 приведены отличительные особенности различных технологий изготовления IGBT транзисторов.
Семейство Power MOS 7PT, рассчитанное на максимальное рабочее напряжение 1200 В, обозначается литерами GU или GP в шифре прибора. Низкий заряд затвора компонентов данной серии (порядка 100 нКл) приводит к уменьшению мощности, необходимой для переключения, и, соответственно, к повышению быстродействия. Малый хвостовой ток сводит к минимуму потери на переключение и позволяет достичь высоких рабочих частот. К типовым применениям относятся преобразователи солнечной энергии, сварочные аппараты, зарядные устройства и индукционные нагреватели, а также высококачественные импульсные источники питания промышленного оборудования. IGBT транзисторы серии Field Stop с номинальными напряжениями VCES, равными 600 или 1200 В, обозначаются литерами GN в наименовании компонента. Разработанные для использования в режимах жёсткого и мягкого переключения на частотах до 30 кГц, они обладают малыми потерями на электропроводность, что является полезным свойством для низкочастотных применений, в которых наиболее значимыми являются как раз потери проводимости. Параллельное включение устройств не вызывает затруднений благодаря малому разбросу напряжения коллектор-эмиттер и положительному температурному коэффициенту напряжения. Среди других значимых характеристик можно отметить устойчивость к коротким замыканиям.
Семейство силовых транзисторов Power MOS 8 включает в себя как IGBT, так и полевые транзисторы. IGBT устройства производятся на основе PT и NPT технологий. В транзисторах данной серии применяется полосковая алюминиевая структура затвора с очень низким внутренним эквивалентным сопротивлением (доли Ом), гораздо меньшим, чем у устройств с поликремниевым затвором. С учетом крайне малого заряда затвора достигается более высокая скорость переключения и очень низкие динамические потери, при этом отсутствует необходимость использования мощного драйвера. Полосковая структура затвора более устойчива к дефектам, которые неизбежно возникают во время производства, и улучшает выносливость и надежность устройства, особенно в режиме работы транзистора при высоком токе и высокой температуре. Оптимизированные значения входной емкости и емкости “Миллера” ограничивают максимальную скорость нарастания напряжения и тока в момент переключения и способствуют “чистой” коммутации с меньшим уровнем электромагнитного излучения. Низкие значения RDS(on)/VCE(on) обеспечивают малые потери проводимости, высокий КПД и меньший уровень тепловых потерь.
Полевые высоковольтные (500-1200 В) N-канальные транзисторы семейства Power MOS 8 подразделяются на MOSFET и FREDFET. Они оптимизированы для работы на высоких частотах в режимах жесткого и мягкого переключения. Основные применения – корректоры коэффициента мощности, установки индукционного нагрева и электродуговой сварки, источники питания промышленного оборудования и многие другие устройства мощностью до 500 Вт.Транзисторы MOSFET имеют внутренний антипараллельный диод, который пропускает обратный ток. Этот диод обладает медленным восстановлением, что приводит к снижению надёжности в схемах с переключением в момент нулевого напряжения (ZVS).
Транзисторы FREDFET (Fast-Reverse Epitaxial Diode Field-Effect Transistor) – это MOSFET со встроенным диодом с минимальным временем обратного восстановления (trr), обеспечивающим высокую устойчивость к dv/dt и высокую надежность в мостовых схемах. Некоторым минусом является незначительно большее сопротивление RDS(on) при рабочих напряжениях более 800 В по сравнению с MOSFET с аналогичными характеристиками. Бюджетные полевые транзисторы семейства CoolMOS производятся по технологии фирмы Infineon Technologies. Предназначенные для работы в импульсных источниках питания, они изготавливаются в различных стандартных корпусах.
Новые высоковольтные карбидокремниевые MOSFET устройства разработаны на основе запатентованной технологии с целью повышения энергоэффективности ключевых схем. Их отличительная особенность и в то же время основное преимущество – значительно более низкое удельное сопротивление исток-сток в открытом состоянии (RDS(ON))по сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами. Компоненты отличаются высоким напряжением пробоя (до 1700 В), а максимальный ток стока достигает величины70 А. Малый заряд затвора, а также его низкое сопротивление минимизируют потери энергии на переключение и обеспечивают отличные динамические характеристики. Коммутация нагрузки происходит под действием управляющего напряжения затвора Vgs, лежащем в пределах от -10 до +25В.
Из других особенностей можно отметить низкий уровень собственного электромагнитного шума и стойкость к коротким замыканиям. Типовые применения включают в себя импульсные источники питания с различными топологиями силовых преобразователей напряжения (повышающие, понижающие, обратноходовые, несимметричные мосты), корректоры коэффициента мощности, схемы управления электроприводами, инверторы и т.д.
СИЛОВЫЕ МОДУЛИ
Компанией Microsemi производится широкая номенклатура стандартных силовых полупроводниковых модулей, а также заказных специализированных изделий, разрабатываемых по индивидуальному заказу. Переход к созданию высокоинтегрированных модулей позволяет за счет максимально плотной компоновки элементов значительно уменьшить габариты конечного устройства, следствием чего является существенное уменьшение влияния паразитных активных и реактивных элементов на параметры устройства [6]. Это, в свою очередь, обеспечивает безопасную работу на высоких частотах, повышает КПД и снижает уровень возможных электромагнитных помех, упрощая требования к внешним фильтрам. Поскольку в процессе производства модуля все внутренние соединения задаются маской, достигается исключительная повторяемость как термических, так и электрических параметров, как для серии, так и для партии в целом.
Стандартные силовые модули Microsemi с широким выбором конструктивно-технологического исполнения, включают в себя устройства всех самых распространенных конфигураций ключевых схем (таблица 5). Их производство основано на использовании кристаллов IGBT, MOSFET, а также силовых диодов (FRED и SiC), выпускаемых компанией Microsemi.
Особого внимания заслуживают компоненты, выполненные на основе карбидокремниевой технологии изготовления. Характеристики карбидокремниевых модулей слабо подвержены влиянию изменений температур эксплуатации вследствие более высокой температуры перехода (175 °С). Это обеспечивает долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации. Всю предлагаемую SiC линейку можно разделить на диодные и транзисторные модули. Первая группа состоит из двух отдельных диодов, включаемых как в одном направлении, так и встречно, либо из четырех диодов, образующих выпрямительный мост (таблица 6).
Все вышесказанное о преимуществах карбидокремниевых диодов, а именно превосходные рабочие характеристики на повышенных частотах эксплуатации, низкий уровень шума и потерь при переключениях, в полной мере относится и к диодным модулям. Объединение в одном малогабаритном корпусе нескольких элементов позволяет сократить занимаемое на печатной плате место. Изолированные корпуса SOT-227 и SP1с возможностью непосредственного монтажа радиатора обладают напряжением изоляции вывод-корпус 2500 и 4000 В соответственно.
Вторая группа представляет собой транзисторные модули, состоящие либо полностью из SiC элементов, либо с применением таковых для улучшения ключевых характеристик разрабатываемого устройства. Карбидокремниевые силовые модули для промышленного диапазона температур выполнены по различным электрическим конфигурациям и предлагаются в низкопрофильных корпусах, внешний вид которых показан на рис. 4. В большинстве из них используется подложка из нитрида алюминия, которая обеспечивает наличие электрической изоляции схемы модуля от теплоотвода и улучшает теплопередачу к системе охлаждения модуля, при этом некоторые модули содержат интегрированные датчики температуры, позволяющие обеспечить дополнительную защиту от превышения максимальной температуры эксплуатации. Предельное рабочее напряжение достигает величины 1700 В, в таблице 7 приведены основные технические характеристики и доступные электрические конфигурации предлагаемых устройств (новинки отмечены цветом).
Ключевыми особенностями изделий является высокоскоростная коммутация с низкими потерями, малая входная ёмкость, незначительные требования к схемам драйверов и минимальная паразитная индуктивность, что в сумме позволяет создавать высокоэффективные силовые устройства. Основные сферы применения включают в себя: импульсные источники питания, высоковольтные ККМ и умножители напряжения, мощные инверторы, преобразователи для солнечных батарей, промышленные электропривода и другое силовое оборудование.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Компании Microsemi предлагает широкую линейку высоковольтных дискретных и модульных компонентов в различном корпусном исполнении, отвечающую современным требованиям рынка силовой электроники. Отработанные технологии производства компании, высокий уровень стандартизации, максимальная гибкость и адаптируемость выпускаемой продукции к различным применениям дают возможность выбора оптимального решения по соотношению цена/производительность.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ланцов В. Успехи, трудности и проблемы на пути развития силовой электроники в России. Силовая электроника. – 2008. – №1., с. 4-8
2. Официальный сайт компании Microsemi. www.microsemi.com.
3. Каталог Microsemi Power Portfolio2015
4. Полищук А. Высоковольтные диоды Шоттки из карбида кремния в источниках электропитания с преобразованием частоты. Компоненты и технологии. – 2004. – №5.
5. Верхулевский К. Дискретные и модульные компоненты на основе карбида кремния, производимые компанией Microsemi. Силовая электроника. – 2015. – №2.
6. Верхулевский К. Новые силовые модули компании Microsemi на основе карбида кремния. Компоненты и технологии. – 2013. – №4., с.138-142.