VBGQTA1101 – первый в Китае силовой MOSFET в корпусе с верхним теплоотводом

Бурный рост современной промышленности обуславливает ее потребность во все более мощных электродвигателях, сервоприводах, контроллерах заряда батарей и другой силовой электронике. Увеличение удельной мощности электронной продукции предъявляет повышенные требования к эффективности силовых компонентов, входящих в ее состав, в частности, к полевым транзисторам. При этом большинство производителей работает над улучшением не только статических и динамических характеристик ключей, но и над их температурными параметрами, такими как тепловое сопротивление и максимальная рассеиваемая мощность.

Недавно компания VBsemi совершила настоящий прорыв в данной области, создав и запустив в серийное производство полевой транзистор VBGQTA1101 – первый в Китае полупроводниковый элемент в инновационном корпусе TOLT-16.

Применение передовых технологий позволило существенно сократить тепловое сопротивление ключа и увеличить его максимально допустимую рассеиваемую мощность. Кроме того, помимо улучшения тепловых характеристик транзистора, использование TOLT-16 практически полностью решает проблему влияния температуры кристалла на его электрические параметры, присущую корпусам традиционного типа. Такого результата удалось добиться за счет применения технологии так называемого верхнего теплоотвода, позволяющей физически разделить пути рассеивания тепла и протекания электрического тока.

VBGQTA1101, основные характеристики которого приведены в таблице ниже, представляет собой мощный одиночный N-канальный полевой транзистор, позволяющий коммутировать относительно высокие напряжения.

Важно отметить, что транзистор VBGQTA1101 выполнен с применением передовой технологии Shielded Gate Trench (SGT), позволяющей снизить статические потери в ключе без увеличения полного заряда затвора. Кроме того, ее использование помогает уменьшить электромагнитные помехи, формируемые ключом во время переходных процессов, а также увеличить скорость его работы при том же предельно допустимом токе. Это снижает динамические потери на полевом транзисторе и позволяет его применять в высокочастотных приложениях с частотами переключения в несколько десятков кГц.

Корпус типа TOLT является вариантом исполнения корпуса TOLL и специально разработан для улучшения тепловых характеристик транзистора.

Принцип данной инновации заключается в том, что кристалл переносится на верхнюю сторону корпуса путем переворота всех выводных рамок транзистора.

В результате тепло передается с открытой металлической верхней стороны корпуса непосредственно на радиатор через слой теплопроводящего материала.

Это существенно улучшает тепловой контакт кристалла и теплоотвода, вследствие чего снижается тепловое сопротивление «кристалл-радиатор» транзистора (R_thJH) и увеличивается его максимальная мощность рассеяния (P_D).

Отметим, что транзистор в корпусе TOLT имеет на 50% лучшее значение теплового сопротивления и позволяет рассеять до 90% больше мощности, чем изделие с тем же кристаллом в традиционном корпусе TOLL. Однако заплатить за это придется увеличением омического сопротивления силовых выводов (R_PACKAGE) и ростом их индуктивности (L_S). Сравнение основных параметров транзисторов с идентичными кристаллами в разных корпусах приведено в таблице.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что при одинаковом размере теплоотвода транзисторы в системе с верхним охлаждением (в корпусе TOLT) позволяют пропускать через себя ток на 30%...35% больше, чем в системе с нижним охлаждением (TOLL). Кроме того, в первом случае часть тепла автоматически рассеивается за счет выводов корпуса, что позволяет еще больше сократить габариты радиатора.

При использовании недорогих печатных плат, выполненных из стеклотекстолита FR4, доля тепла, отводимого при помощи выводов, составляет около 5%. Если применить более дорогостоящие материалы подложки (алюминий или медь), эта цифра может быть увеличена. С учетом того, что транзисторы в корпусах TOLL и TOLT занимают на плате примерно одинаковое место, для инженеров-разработчиков приведенные выше результаты означают либо удешевление системы охлаждения при той же конфигурации устройства, либо достижение им более высокой выходной мощности при сохранении архитектуры охладительной системы.

Следует отметить, что помимо улучшенных тепловых характеристик, корпус TOLT имеет и дополнительные преимущества в сравнении с TOLL. Например, при установке радиатора поверх корпуса транзистора пропадает необходимость в применении массивных теплоотводящих полигонов под ним.

Поэтому в целях экономии пространства освободившееся место с обеих сторон печатной платы может быть использовано для размещения других компонентов. К тому же, отсутствие полигона под корпусом транзистора позволяет существенно увеличить расстояние L_MAX между шинами истока и стока, что крайне актуально для высоковольтных применений.

Кроме того, важной особенностью корпуса TOLT является гибкость его выводов, обеспечивающая дополнительную надежность устройства. Дело в том, что в процессе работы кремниевые кристаллы силовых компонентов нагреваются и передают тепло на печатную плату, вследствие чего происходит ее тепловая деформация. Для плат, выполненных из фольгированного стеклотекстолита (FR4) или на медном основании (Cu-IMS), степень этой деформации будет невелика, поскольку плата имеет тот же коэффициент теплового расширения (КТР), что и выводы корпуса силового компонента. Однако при использовании подложки из алюминия (Al-IMS) эта деформация будет довольно значительной вследствие большего КТР основания платы.

В случае корпуса TOLL, имеющего жесткие выводы, этот эффект создаст сильное механическое напряжение в припое между печатной платой и выводами элемента, что со временем приведет к растрескиванию паяных соединений и выходу устройства из строя. При использовании компонентов в корпусе TOLT изменение геометрии подложки будет не настолько критичным, поскольку оно скомпенсируется гибкими выводами корпуса.

Таким образом, транзистор VBGQTA1101 представляет собой не только яркий пример использования инновационных технологий, но и возможность переосмысления компоновки мощных электронных устройств. Благодаря улучшенным тепловым характеристикам он позволяет получать больше мощности на единицу объема за счет уменьшения размеров системы охлаждения даже при использовании сравнительно недорогих печатных плат из стеклотекстолита FR4. Отсутствие необходимости в массивных токоотводящих полигонах позволяет существенно повысить плотность компоновки платы за счет размещения дополнительных элементов возле транзистора и под ним. Причем это справедливо как для низковольтных приложений, так и для относительно высоковольтных, поскольку отсутствие металлизации под корпусом VBGQTA1101 позволяет создать требуемое расстояние между силовыми шинами истока и стока без ухудшения теплопроводности и уменьшения свободного пространства на печатной плате.

Производитель рекомендует транзистор VBGQTA1101 для применения в таких областях, как:

• Электромобильный транспорт: электровелосипеды, электромотоциклы, вилочные погрузчики и другая техника. Здесь данный транзистор может быть использован в контроллерах двигателей, традиционно требующих надежной работы при высоких токах и сравнительно больших напряжениях. Кроме того, он будет эффективен в системах управления батареями, обеспечивая их заряд и разряд с малыми потерями, а также в DC/DC-преобразователях, формирующих надежное и стабильное питание для всего устройства.
• Промышленная автоматизация: силовые модули управления, сервоприводы, системы питания. Здесь VBGQTA1101 может найти применение в выходных модулях программируемых логических контроллеров, сервоприводах роботизированных манипуляторов, требующих высоких пиковых токов, а также в промышленных источниках питания, характеризующихся повышенной надежностью, большой выходной мощностью и эффективностью.
• Потребительская электроника. В данной сфере изделие может успешно использоваться в блоках питания игровых ноутбуков и высокопроизводительных настольных компьютеров, а также в драйверах двигателей мощных инструментов и умной бытовой техники. Кроме того, VBGQTA1101 будет достаточно эффективным решением для применения в модулях быстрой зарядки высокой мощности и в базовых зарядных станциях квадрокоптеров.
• Современные энергетические и силовые системы. Здесь при помощи этого транзистора можно увеличить эффективность и надежность повышающих и инверторных силовых узлов, а также блоков управления аккумуляторными накопителями в системах хранения энергии.

 

Вся линейка продукции VBsemi представлена в каталоге ЮниРЭК: 

Полевые транзисторы (MOSFET)
IGBT транзисторы
Импульсные DC-DC преобразователи
Распродажа со склада   

На дополнительные вопросы ответят специалисты ЮниРЭК:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ. ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь с нами: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20