НОВАЯ СЕРИЯ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ IRFP4XXX С УЛЬТРАНИЗКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ КАНАЛА

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.

Серия IRFP4xxx на складе:

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

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 фирмFairchild, ST, IXYS (см. таблицы 2 и 3).

Таблица 2. Сравнение параметров новых транзисторов IR серии IRFP4xxx с аналогичными от других производителей

 

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

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 - этоFDA8440 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 поколенияIRFP2907Z. 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, аIXFX250N10P (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.