В статье предпринята попытка сравнить характеристики MOSFET (полевых) транзисторов ведущих мировых производителей, таких как STMicroelectronics, Infineon, International Rectifier, Vishay, Toshiba и ON Semiconductor (Motorola).

Вначале хотелось бы познакомить читателей с обзором новых семейств MOSFET-транзисторов фирмы STMicroelectronics, без сомнения, если не лидирующей, то одной из фирм, обладающих наиболее передовыми разработками и технологиями в области силовой электроники.

Структура кристалла MDmesh MOSFET

STMicroelectronics разработала новую MOSFET-технологию, значительно уменьшающую R_{DS ON} (сопротивление сток–исток в открытом состоянии). Новая технология названа MDmesh (Multiple Drain mesh), потому что она основана на многочисленных вертикальных Р-структурах стока. Кроме очень низкого R_{DS ON}, новая вертикальная структура кристалла обеспечивает превосходные dV/dt характеристики.
Такая структура кристалла также обеспечивает величину заряда затвора Q_g на 40% ниже, чем у традиционных MOSFET, что повышает скорость переключения и снижает потери мощности на переключение. Низкая величина заряда затвора Q_g даёт возможность использовать меньшие и более экономичные затворные цепи.
Температурный коэффициент сопротивления кристалл–корпус R_jc не превышает 1,7°С/W. Размер кристалла значительно уменьшился, что обеспечило превосходные тепловые характеристики. Для сравнения, 500-В STP12NM50 в корпусе ТО-220 с R_{DS ON} = 0,35 Ом имеет кристалл, занимающий лишь 60% общей площади изделия. Такое низкое R_{DS ON} в стандартной технологии MOSFET доступно только в корпусе ТО-247 с большим размером кристалла.
Эти преимущества могут быть реализованы в таких применениях, как источники вторичного электропитания средней мощности, где низкое R_{DS ON} и улучшенные динамические характеристики могут увеличить КПД источников питания не менее, чем на 2%, и это позволит уменьшить теплоотвод до 40% при той же самой температуре нагрева.
Для демонстрации преимуществ MDmesh-приборов в реальных применениях, сравним электрические и тепловые характеристики транзистора MOSFET предыдущего поколения STW15NB50 (500 В, 0,36 Ом, ТО-247) и MDmesh MOSFET STP12NM50 (500 В, 0,35 Ом, ТО-220) в 360-Вт мостовом источнике питания, где нагрузкой транзисторов является первичная обмотка трансформатора преобразователя. MDmesh MOSFET показал лучшие скорости переключения, чем MOSFET предыдущего поколения. Время включения STP12NM50 было на 100 нс меньше, чем у STW15NB50. Величина заряда затвора STP12NM50 составила 21 нКл, в то время как у STW15NB50 — 70 нКл. Величина энергии выключения STP12NM50 была 22,6 мкДж, в то время как у STW15NB50 она достигла 31,3 мкДж. При частоте переключения 115 кГц это означает разность в потерях на переключение около 1 Вт на транзистор (2,6 Вт у STP12NM50 против 3,6 Вт у STW15NB50). Потери на проводимость составили 3,2 Вт у STP12NM50 против 3,4 Вт у STW15NB50.
Следует отметить, что сравнение проводилось не с традиционным стандартным MOSFET, а с быстрым MOSFET-прибором предыдущего поколения STMicroelectronics, имеющим неплохие динамические характеристики и низкую величину заряда затвора, по сравнению с IRFP450 (корпус ТО-247).

Z-серия MOSFET

Синхронный понижающий преобразователь

STMicroelectronics представляет новое семейство MOSFET-транзисторов, которые содержат встроенный диод Зенера в затворной цепи. Это семейство высоковольтных транзисторов (от 700 до 900 В) полностью защищено от электростатического пробоя и выбросов напряжения в затворной цепи вследствие переходных процессов. Напряжение ограничения диода Зенера составляет около 25 В, что предохраняет затвор от перенапряжения. Диоды Зенера способны подавить выбросы напряжения до 140 В.
Таблица 1. Z-серия MOSFET-транзисторов

STripFET

STripFET2 в корпусе PowerSO-10 в синхронных понижающих преобразователях

Другое новое семейство полевых транзисторов фирмы STMicroelectronics — STripFET. Это низковольтные MOSFET-транзисторы с очень низкой величиной заряда затвора Q_g. Для применения в высокочастотных схемах величина Qg играет более важную роль в минимизации потерь мощности, чем R_{DS ON}. В этих целях использование STripFET-технологии более приемлемо, чем традиционной структуры кристалла или, например, Trench-технологии, предлагаемой азиатскими производителями. STripFET-технология представляет собой лучший компромисс между динамическими характеристиками, напрямую связанными с зарядом затвора, и потерями на проводимость (R_{DS ON}).
Хороший пример применения новых MOSFET — это высокоэффективный DC/DC-конвертор для материнских плат десктопов и мобильных компьютеров. Наиболее популярная топология для таких применений — синхронный понижающий преобразователь.
Технология STripFET получила своё дальнейшее развитие в новом поколении транзисторов STripFET2, разработанном с помощью специального быстрого термического диффузионного процесса, в результате которого ширина полосы отдельной ячейки структуры кристалла была уменьшена. Это привело к дальнейшему уменьшению и R_{DS ON}. Новые изделия идентифицируются буквами “NF”, например, STP80NF10.
В частности, фирма STMicroelectronics разработала ряд низковольтных (20, 30 В) транзисторов в корпусе PowerSO-10 для применения в синхронных понижающих преобразователях. По величине RDS ON эти транзисторы не имеют аналогов среди других производителей, например, STV160NF02L (20 В, 0,0016 Ом, 160 А) и STV160NF03L (30 В, 0,0021 Ом, 160 А).
Транзисторы нового поколения STripFET2 также выпускаются в корпусах ТО-220, D2PAK, DPAK и SO-8. Они наиболее применимы для высокочастотных DC/DC-конверторов для десктопов, мобильных компьютеров и телекоммуникационного оборудования.

PowerMESH IGBT

Зависимость UСE SAT от IC для IGBT-транзисторов

STMicroelectronics также предлагает новое поколение IGBT-транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором), разработанных с применением технологии PowerMESH, с успехом используемой в MOSFET-транзисторах. Основные преимущества новых IGBT транзисторов: ниже U_{СE SAT} (напряжение насыщения КЭ), выше IC (ток коллектора), больше скорость переключения.
Семейство IGBT-транзисторов с низким U_{СE SAT} можно идентифицировать по суффиксу “S” в наименовании, например, STGD7NB60S. Зависимость U_{СE SAT} от I_C приведена на рисунке. Это семейство IGBT-транзисторов применяется на частотах до 1 кГц для управления различными низкочастотными моторами.
Следующее семейство IGBT-транзисторов разработано специально для электронного зажигания в автомобилях. Это IGBT-транзисторы с логическим уровнем входного сигнала, полностью защищённые от перенапряжений по входу и выходу диодами Зенера. Такие приборы как STGB10NB37LZ, STGB20NB37LZ (корпус D2PAK), STGP10NB37LZ и STGP20NB37LZ (корпус ТО-220) представляют собой лучший выбор для систем зажигания, базирующихся на IGBT-транзисторах.
Готовится к выпуску так называемый Smart IGBT VBG15NB37, представляющий собой мощный IGBT-транзистор, полностью защищённый по току, температуре и от выбросов напряжения по входу и выходу, совмещённый с драйвером, позволяющим осуществить прямое управление от микроконтроллера.

Зависимость UСE SAT от IC для IGBT-транзисторов

Блок-схема Smart IGBT изображена на рисунке.
Третье семейство IGBT-транзисторов — это транзисторы с высокой скоростью переключения. Они идентифицируются по суффиксу “H” в наименовании, например STGD7NB60H. Эти изделия применяются на частотах до 120 кГц и идеальны для DC/DC-конверторов в прямоходовых, обратноходовых, полумостовых и мостовых топологиях схем источников питания и корректоров мощности.

Основные технические данные MOSFET-транзисторов ведущих производителей

В табл. 2 представлены основные технические характеристики MOSFET-транзисторов ведущих производителей: STMicroelectronics, Infineon, International Rectifier, Vishay, Toshiba и ON Semiconductor (Motorola) в наиболее распространённых корпусах.
Из табл. 2 видно, что среди низковольтных полевых транзисторов превосходными характеристиками, кроме STMicroelectronics и Toshiba, обладают также транзисторы фирмы Vishay, (как, например, уникальные полевые транзисторы SUP75P05-08, SUP85N06-05, SUP85N10-10), но несколько большие сроки поставки и цены сводят на нет преимущества в технических характеристиках транзисторов, в то время как невысокие цены и доступность транзисторов STM повышают к ним интерес.
В области высоковольтных полевых транзисторов превосходными техническими характеристиками выделяется 600-В семейство CoolMOS фирмы Infineon Technologies. Они обладают очень малым R_{DS ON} и по статическим характеристикам сравнимы с IGBT-транзисторами, а по динамическим характеристикам значительно превосходят их, однако имеют несколько большие сроки поставки, чем у других производителей.
В заключение хочется сказать, что фирмы “Макро Тим” , и «БИС-электроник» осуществляют поставки полевых транзисторов таких фирм-производителей, как STMicroelectronics, Infineon Technologies, Vishay, Toshiba, Hitachi, Philips, ON Semiconductor, и Intersil (Harris).