MOSFET транзисторы NXP для автомобильного применения

В настоящее время на рынке аналоговой техники доминируют биполярные транзисторы (международный термин биполярного транзистора – Bipolar Junction Transistor (BJT)). В другой важнейшей отрасли электроники – цифровой технике (логика, память, микроконтроллеры, цифровая связь и т. п.) биполярные транзисторы практически полностью вытеснены полевыми транзисторами. Вся современная цифровая электроника построена в основном на полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, как более экономичных по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник), в международном сообществе принято название MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Существуют два типа MOSFET: N-канальные и P-канальные. С момента изобретения первого транзистора быстрое развитие технологий позволило создать более совершенные и производительные и в тоже время экономичные и энергосберегающие элементы. В рамках интегральной технологии транзисторы изготавливаются на одном кристалле для изготовления микросхем памяти, микроконтроллеров, микросхем логики и др. Размеры современных MOSFET составляют 60-30 нм. При современной степени интеграции на одном чипе размером 1-2 см2 размещаются несколько млрд. транзисторов.

В настоящее время MOSFET являются неотъемлемой частью практически любого электронного устройства. На фоне жесткой конкуренции на рынке электроники и существующих требований к высокой энергоэффективности оборудования разработчики стремятся уменьшить габариты, энергопотребление и себестоимость конечной продукции. Эти и другие факторы подталкивают производителей электронных компонентов постоянно совершенствовать и предлагать все новые и новые разработки и технологии. Компания NXP, смогла занять одну из лидирующих позиций в области производства транзисторов, благодаря передовым технологиям и широкому портфолио MOSFET, насчитывающему более 900 наименований, включая высокочастотные, предоставляя реальный выбор разработчикам электроники подобрать для своих потребностей максимально удовлетворяющий их задачам элемент.

Параметры транзисторов распределяется в диапазоне напряжений сток-исток от 12–300 В, с током стока до 228 А и различными вариантами корпусов, рабочий диапазон температур транзисторов до –55…+175 °C. Краткий перечень и характеристики MOSFET NXP сведены в таблицу 1

Мощные MOSFET традиционно выпускались по планарной технологии. В конце 1990 -х годов компания NXP вывела на рынок транзисторы, изготовленные по новой технологии, так называемой траншейной (TrenchMOS), обеспечивающей чрезвычайно низкое сопротивление открытого канала сток-исток. Развитие этой технологии позволило увеличить компактность кристалла и снизить сопротивление открытого канала RDS(ON) (потери в канале) в несколько раз, а так же снизить стоимость таких транзисторов. Противоречивые требования к MOSFET: с одной стороны, минимальное сопротивление открытого канала RDS(ON), с другой – минимальный заряд затвора, – прежде всего приводили разработчиков электроники к необходимости выбора различных марок транзисторов для работы в тех или иных каскадах. К тому же возникала потребность выбора оптимального соотношения занимаемой площади и рассеиваемой мощности транзисторов. По мере совершенствования технологий производства MOSFET-транзисторов производители предлагали различные варианты построения корпусов. Эффективность MOSFET-транзисторов основана не только на технологии получения кристалла, но и на корпусе, в который данный кристалл установлен. Наиболее эффективными корпусами для MOSFET-транзисторов признаны корпуса, предназначенные для поверхностного монтажа, которые обеспечивают максимальную удельную мощность рассеяния. Так, наряду со стандартными корпусами TO-220, DPAK, D2PAK и SO, компания NXP выпустила на рынок транзисторы MOSFET, изготовленные по технологии шестого поколения Trench6 в корпусе LFPAK (Loss Free Package). Комбинация технологии шестого поколения Trench с высокоэффективной упаковкой LFPAK увеличивают надежность транзисторов и расширяют границы применения. Транзисторы NXP в корпусе LFPAK обладают малым общим сопротивлением в открытом состоянии (менее 1 мОм) и высокой рабочей температурой, что достигается высокой теплопроводностью корпуса и малым сопротивлением выводов – менее 0,25 мОм. На рис. 1 приведено сравнение внутреннего сопротивлений популярных корпусов транзисторов, без учёта вклада полупроводника, а на рис. 2 изображена внутренняя структура транзистора LFPAK. Видно, что LFPAK не содержит промежуточных шин и сварных соединений, чем и объясняются его отличные характеристики.

Рисунок 1. Внутренне сопротивление популярных SMD корпусов.

Рисунок 2. Способы подключения выводов в популярных корпусах транзисторов и в LFPAK

Расчет площади занимаемой D2PAK, DPAK и LFPAK показывает, что экономия места при применении транзисторов в корпусе LFPAK достигает 75 и 46% соответственно. При соизмеримой площади занимаемой MOSFET в корпусе SO8, корпус LFPAK более компактен по высоте. Конструкция корпуса LFPAK при толщине всего 1,1 мм позволяет добиться оптимальных показателей по отводу тепла, обеспечивая дополнительный путь отвода тепла с верхней части корпуса, что позволяет при необходимости более эффективно использовать радиатор. Кроме того, корпус LFPAK имеет на 50% меньшую паразитную индуктивность, что делает транзисторы в этом корпусе идеальным для применения в мощных высокочастотных схемах.

На рис. 3 показаны результаты термографии MOSFET в корпусах SO8, DPAK и LFPAK. Данные измерения были проведены при прочих равных условиях, рассеиваемая мощность на поверхности корпусов примерно 1 Вт. Исключительные термические свойства корпуса LFPAK наилучшим образом влияют на производительность MOSFET, и в ряде случаев это позволяет применить разработчикам два транзистора в корпусе LFPAK вместо трех транзисторов в корпусе SO8.

Расширяя портфолио MOSFET, компания NXP предлагает ряд транзисторов для автомобильных применений, с этой целью было разработано семейство MOSFET TrenchPLUS с дополнительными функциями защиты и измерения температуры. Транзисторы семейства TrenchPLUS были разработаны и квалифицированы по методике AEC для использования в особо важных системах автомобиля, например: тормозные системы (ABS), системы управления (ЭМУР). На рис. 4 показана функциональная блок-схема устройства транзисторов семейства TrenchPLUS. Наличие встроенного датчика тока в силовом MOSFET позволяет эффективно защищать выходные цепи устройств от перегрузок по току и коротких замыканий. При таком построении транзистора повышается надежность прибора и снижается его стоимость, так как отпадает необходимость в использовании внешних элементов.

Рисунок 4. Функциональная схема транзистора, изготовленного по технологии TrenchPLUS

Таблица 1. Краткий перечень N-канальных MOSFET NXP в корпусе LFPAK

Наименование VDS [max], В RDSon [max] @ VGS = 10 В, мОм ID [max], А QGD [typ], нКл VGSth [typ], В Ptot [max], Вт Соответствует AEQ-101 PSMN0R9-25YLC 25 0,99 100 14 1,41 272 Нет PSMN1R1-25YLC 25 1,15 100 11 1,43 215 Нет PSMN1R2-25YLC 25 1,3 100 8,3 1,45 179 Нет PSMN1R5-25YL 25 1,5 100 9,2 1,7 109 Нет PSMN2R2-25YLC 25 2,4 100 5,2 1,54 106 Нет PSMN2R9-25YLC 25 3,15 100 4,4 1,54 92 Нет PSMN4R0-25YLC 25 4,5 84 3,5 1,53 61 Нет PSMN6R0-25YLB 25 6,1 73 2,6 1,42 58 Нет PSMN6R5-25YLC 25 6,5 64 2,8 1,54 48 Нет BUK7Y07-30B 30 7 75 10,7 3 105 Да BUK9Y07-30B 30 6 75 12,4 1,65 105 Да PSMN0R9-30YLD 30 0,87 300 13,5 1,5 291 Нет PSMN1R0-30YLD 30 1,02 300 10,9 1,75 238 Нет PSMN1R2-30YLD 30 1,24 100 9,1 1,7 194 Нет PSMN1R3-30YL 30 1,3 100 9,3 1,7 121 Нет PSMN1R4-30YLD 30 1,42 100 8,5 1,7 166 Нет PSMN1R5-30YLC 30 1,55 100 8,6 1,51 179 Нет PSMN1R7-30YL 30 1,7 100 8,7 1,7 109 Нет PSMN2R0-30YLD 30 2 100 6,3 1,7 142 Нет PSMN2R2-30YLC 30 2,15 100 8 1,49 141 Нет PSMN2R4-30YLD 30 2,4 100 5,3 1,7 106 Нет PSMN2R5-30YL 30 2,4 100 6,5 1,7 88 Нет PSMN2R6-30YLC 30 2,8 100 5,5 1,54 106 Нет PSMN3R0-30YLD 30 3,1 100 4,5 1,7 91 Нет PSMN3R2-30YLC 30 3,5 100 4,1 1,53 92 Нет PSMN3R5-30YL 30 3,5 100 45 1,7 74 Нет PSMN4R0-30YLD 30 4 95 2,9 1,74 64 Нет PSMN4R1-30YLC 30 4,35 92 3,5 1,58 67 Нет PSMN4R5-30YLC 30 4,8 84 2,85 1,54 61 Нет PSMN5R0-30YL 30 5 91 3,8 1,7 61 Нет PSMN6R0-30YLD 30 6 66 2,1 1,83 47 Нет PSMN6R1-30YLD 30 6 66 1,7 1,68 47 Нет PSMN7R0-30YLC 30 7,1 61 2,5 1,58 48 Нет PSMN7R5-30MLD 30 7,6 57 1,7 1,7 45 Нет BUK7Y3R5-40E 40 3,5 100 16,2 3 167 Да BUK7Y4R4-40E 40 4,4 100 13 3 147 Да BUK7Y7R6-40E 40 7,6 79 8,2 3 94,3 Да BUK9Y3R0-40E 40 2,5 100 10,7 1,7 194 Да BUK9Y3R5-40E 40 3,6 100 8,6 1,7 167 Да BUK9Y4R4-40E 40 3,7 100 8,7 1,7 147 Да BUK9Y7R6-40E 40 6 79 5,5 1,7 95 Да PSMN1R0-40YLD 40 1,1 100 17 1,7 198 Нет PSMN1R4-40YLD 40 1,4 100 13 1,7 238 Нет PSMN1R6-40YLC 40 1,55 100 15,3 1,46 288 Нет PSMN1R8-40YLC 40 1,8 100 10,9 1,45 272 Нет PSMN2R6-40YS 40 2,8 100 14 3 131 Нет PSMN3R3-40YS 40 3,3 100 11,2 3 117 Нет PSMN4R0-40YS 40 4,2 100 7 3 106 Нет PSMN5R8-40YS 40 5,7 90 7,8 3 89 Нет PSMN8R3-40YSS 40 8,6 70 4,5 3 74 Нет BUK7Y4R8-60E 60 4,8 100 22,2 3 238 Да BUK7Y6R0-60E 60 6 100 12,1 3 195 Да BUK7Y7R2-60E 60 7,2 100 15,8 3 167 Да BUK9Y4R8-60E 60 4,1 100 18,1 1,7 238 Да BUK9Y8R7-60E 60 7,5 86 9,7 1,7 147 Да PSMN5R5-60YS 60 5,2 100 11,2 3 130 Нет PSMN7R0-60YS 60 6,4 89 9,6 3 117 Нет PSMN011-60ML 60 11,3 61 5,1 1,7 91 Нет PSMN012-60YS 60 11,1 59 6,4 3 89 Нет PSMN030-60YS 60 24,7 29 3 3 56 Нет BUK7Y7R8-80E 80 7,8 100 17 3 238 Да BUK7Y9R9-80E 80 9,9 89 14,4 3 195 Да BUK9Y8R5-80E 80 8 100 17,1 1,7 238 Да BUK9Y11-80E 80 10 84 13,2 1,7 194 Да PSMN8R2-80YS 80 8,5 82 12 1,7 130 Нет PSMN013-80YS 80 12,9 60 8 3 106 Нет PSMN018-80YS 80 18 45 6 3 89 Нет BUK7Y12-100E 100 12 85 21 3 238 Да BUK7Y38-100E 100 38 30 11,3 3 95 Да PSMN059-150Y 100 11,9 85 24 1,7 238 Да BUK9Y19-100E 100 18 56 14,1 1,7 167 Да PSMN013-100YSE 100 13 82 26 3 238 Нет PSMN059-150Y 150 59 43 9,1 3 113 Нет PSMN102-200Y 200 102 21,5 10,1 3 113 Нет

Область применения MOSFET‑транзисторов:

• DC/DC-преобразователи, синхронные выпрямители, понижающие/повышающие конверторы, блоки управления электродвигателями, блоки управления подачей топлива для автозаправочных станций, системы безопасности железнодорожного транспорта, электронные балласты для люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, зарядные устройства и блоки питания;
• бытовая электроника – мобильные и бытовые телефоны, компьютеры, ноутбуки и блоки питания к ним, MP3- плееры и мобильные плееры, цифровые видеокамеры, схемы защиты Li-ion батарей, set-top-box, схемы управления вращением кулеров, кондиционеры, модули управления лазерными приводами, блоки управления холодильниками, стиральными машинами, пылесосами;
• автомобильная электроника – генераторы и стартеры переменного тока, электронные модули рулевого управления, электронасосы топлива и воды, турбокомпрессоры, модули управления стеклоподъемниками, стеклоочистителями, зеркалами, системы ABS, ESP, EBD, автоматизированные коробки передач, модули DC/DC-преобразователей, регуляторы положения сидений, системы отопления, вентиляции, кондиционирования, система активной подвески.

На основании рассмотренных преимуществ MOSFET производства компании NXP Semiconductors можно сделать выводы, что, в сравнении с продукцией других производителей, они наиболее эффективны для использования в различных силовых системах электроники и наиболее пригодны для использования в особо важных системах безопасности автомобильного и железнодорожного транспорта.