Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Шумахер У. Полупроводниковая электроника

.pdf
Скачиваний:
203
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
8.01 Mб
Скачать

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 92 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

92 3. Силовые полупроводниковые приборы

Вид со стороны монтажа; наихудший случай; коннектор остаётся холодным при Ta = +85°C

Разрез 1

Разрез 1; наихудший случай; коннектор остаётся холодным при Ta = +85°C

Рис. 3.49. Результаты теплового моделиро- Рис. 3.50. Вид сбоку в плоскости разреза 1 электвания автомобильного электронного блока ронного блока управления.

управления (вид сверху).

Сток

 

 

Rd(Tj)

Rth1

Радиатор

Tj

Rth, n Tc

Pv(t)

Cth,1

Cth,2 Cth, n

Затвор

Vth(Tj) Pv(t) = Id(tUds(t)

Tamb

μe(Tj)

Исток

Рис. 3.51. Электротепловая модель на примере силового МОП-транзистора для моделирования в программах PSpice/Saber.

Характеристики, полученные при моделировании

Измеренное распределение температуры

и измерении токов в режиме короткого замыкания

в кристалле MOSFET

 

вплоть до разрушения прибора (BUZ 111S)

непосредственно перед разрушением

600

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

500

 

 

 

Данные измерений

 

 

 

400

 

Id [А]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

 

 

Прибор

 

 

 

 

 

 

 

 

разрушился

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

Tj [°C]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

200

400

600

800

1000

1200

 

Время [мкс]

Рис. 3.52. Измерение распределения температуры в силовом МОП-ключе при высоких токах.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 93 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

3.5. Технологии корпусирования 93

Проволочные

 

 

Верхний

 

 

кристалл

соединения (Al)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний

 

 

 

 

кристалл

 

 

 

 

 

 

Теплоотвод

Рис. 3.53. Сильноточный ключ — модель и ее реальное воплощение по технологии «кристалл на кристалле».

приведена на Рис. 3.51. Компания Infineon предлагает подобные модели для всех стандартных приборов.

Непосредственная обратная связь температуры кристалла Tj и электрического параметра Ron позволяет промоделировать внешние охлаждающие устройства и, в конечном счёте, рассчитать их размеры.

Ещё одной сложной задачей является моделирование или измерение предельных значений параметров силового прибора. На Рис. 3.52 представлены результаты измерения распределения температуры или тока в МОП-транзисторе при больших токах. Можно увидеть неравномерности распределения температуры из-за наличия контакта затвора и рассеяния тепла проволочными проводниками. Имея такие результаты, можно создать модель, которая позволит оптимизировать плотность компоновки элементов.

3.5.7.Многокристальные корпуса и тенденции развития

Компания Infineon разработала технологию «кристалл на кристалле», которая является основой для производства сильноточ-

ных ключей и мостовых схем для электродвигателей. На Рис. 3.53 представлен один из современных сильноточных ключей типа PROFET, рассчитанный на импульсные токи до 100 А.

Базовый кристалл может быть изготовлен по силовой ДМОП-технологии с использованием только нескольких фотолитографий. На Рис. 3.53 слева видно, что соединение истока с четырьмя внешними выводами осуществляется при помощи четырёх толстых алюминиевых проводников, что позволяет проверить каждый проводник. «Верхний» кристалл прикрепляется к базовому кристаллу таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая теплопроводность. Он подключается к нескольким внешним выводам золотыми соединительными проводниками, которые являются настолько тонкими, что практически не видны на рисунке (и поэтому их можно не учитывать в тепловой модели). Кроме того, имеются соединения между кристаллами, по которым осуществляется управление затвором и измерение тока.

Конечно же, данная технология хорошо подходит и для следующего поколения вы-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 94 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

94 3. Силовые полупроводниковые приборы

соко интегрированных системных ИС. На-

размер кристалла. Корпус типа VQFN с от-

пример, силовая/высоковольтная ИС мо-

крытой выводной рамкой (выводная рамка

жет нести на себе сверхсложный кристалл

доступна для пайки с нижней части корпу-

микроконтроллера. На Рис. 3.54 представ-

са) является хорошим примером примене-

лена такая система, реализованная в одном

ния данной технологии.

корпусе.

В заключение, на Рис. 3.55 представлены

 

зависимости между количеством выводов и

 

рассеиваемой мощностью. В диапазоне ма-

 

лых мощностей используются стандартные

 

и усовершенствованные корпуса SO. В них

 

в основном выпускаются сложные ИС. На

 

другом краю шкалы мощности лежат кор-

 

пуса с теплоотводящей пластиной, в кото-

 

рых выпускаются силовые модули (обычно

 

это сборки из шести транзисторов или

 

IGBT) для ключевых и мостовых схем.

 

Все чаще применяются бескорпусные

 

микросхемы. Однако данный метод требует

Рис. 3.54. Система в одном корпусе, изготов-

«дорогой сборки в чистом помещении». То

ленная по технологии «кристалл на кристал-

же самое можно сказать о монтаже методом

ле», корпус T-SSOP-20.

перевёрнутого кристалла (flip-chip), при ко-

 

тором в ходе дополнительных этапов при

В ближайшем будущем системы с высо-

изготовлении полупроводниковой пласти-

кой степенью интеграции потребуют созда-

ны на кристалл в местах соединений нано-

ния новых корпусов, которые можно будет

сятся шарики припоя. Таким образом,

встраивать в устройства как мехатронные

кристалл может быть перевёрнут и припаян

элементы. Это означает, что должны быть

прямо к носителю (в общем случае, к доро-

получены более низкие тепловые сопротив-

гостоящей керамической подложке). Ос-

ления для корпусов с большим количеством

новным преимуществом подобной техно-

выводов. Не забудем упомянуть корпус в

логии является то, что контактные площад-

размер кристалла (chip-scale). Размер этого

ки могут находиться в любом месте на по-

корпуса всего лишь ненамного превосходит

верхности кристалла. С одной стороны, при

Количество выводов

Стандартные

Корпуса SO

Корпуса

Силовые

с улучшенным

с теплоотводом

 

корпуса

теплоотводом

 

модули

100

Система на кристалле

 

 

(в одном корпусе)

 

 

50

Интеллектуальные

 

 

20

ИС систем питания

 

 

 

 

 

 

Интеллектуальные силовые ИС

10

Интеллектуальные 5 мощные

ключи и мосты

2

 

Силовые МОП-транзисторы

1

 

и IGBT

 

 

 

 

0.1

1

10

100

Мощность потерь [Вт]

Рис. 3.55. Зависимость количества выводов от мощности приборов для различных групп продукции.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 95 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

3.6. Мощные приборы для автомобильной электроники 95

современных, широко используемых методах сборки контактные площадки должны располагаться по периметру кристалла. С другой стороны, организация охлаждения перевёрнутых кристаллов затруднена из-за того, что тепло будет проводиться только через шарики припоя. Частично эта проблема снимается заливкой кристалла специальным теплопроводящим веществом. Другой проблемой, которой нельзя пренебрегать, является гарантия производителем работоспособности кристалла.

3.6.Мощные приборы для автомобильной электроники

3.6.1. MOSFET и IGBT

Среди силовых полупроводниковых приборов наиболее широкое применение имеют силовые МОП-транзисторы. Пользователям требуется устройство, характеристики которого близки к идеальному ключу. В открытом состоянии падение напряжения на нём должно быть как можно меньше. Оно определяется сопротивлением между стоком и истоком в открытом состоянии, которое обозначается RDS(on) или Ron.

Сдругой стороны, когда ключ находится

взакрытом состоянии, транзистор должен надёжно выдерживать максимально возможные высокие напряжения и не пропускать обратные токи. Эти параметры харак-

теризуются напряжением пробоя

сток — исток, VBRDS, и током утечки. Переключение идеального ключа может осу-

ществляться без энергозатрат. В реальных МОП-транзисторах каждый раз при выполнении операции переключения требуется перемещение заряда конечной величины.

В автомобилестроении коэффициент полезного действия оказывает непосредственное влияние на потребление топлива, поэтому МОП-транзисторы с малым сопротивлением Ron, незначительными токами утечки во всем диапазоне напряжений питания и соответствующей характеристикой переключения будут находить широкое применение в данной области.

На Рис. 3.56 показаны наиболее важные области применения.

Тогда как DC/DC-преобразователи встраиваются в массовые устройства все меньшего размера, в сильноточных устройствах, например в стартер-генераторе

Области применения MOSFET в автомобильной электронике

Кузов +

комфорт

Безопасность + динамика

автомобиля

Двигатель и трансмиссия

Другие

 

 

 

 

 

 

 

DC/DC-преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Защита от обратной полярности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стеклоочи-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стители

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вентилятор системы

 

 

 

 

 

 

кондиционирования воздуха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ABS

 

 

Электроусилитель рулевого управления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X-by-wire

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вентилятор системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Стартер-генератор

 

 

 

 

 

 

 

охлаждения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дополнительное устройство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подогрева дизельного двигателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Топливный или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

водяной насос

 

 

Прямой впрыск

 

 

 

Двигатель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

топлива

 

 

 

без распредвалов (EVT)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зажигания

 

 

 

 

 

 

 

 

Электронный турбонаддув

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электронная трансмиссия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2001

 

 

 

 

 

2005

 

 

 

Рис. 3.56. Применение силовых МОП-транзисторов.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 96 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

96 3. Силовые полупроводниковые приборы

автомобиля, для получения

приемлемых

 

 

 

 

 

 

 

 

Площадь поперечного сечения 0.59 мм2

значений

Ron

требуется параллельное со-

 

 

 

 

 

 

3 × 500 мкм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

единение множества транзисторов, управ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ляемых одним контроллером.

 

 

Температура поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Многие электронные устройства в авто-

 

 

 

 

 

 

кристалла: 175°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мобилях заменяют традиционные механи-

 

Температура провода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ческие или гидравлические решения. Так

 

 

 

 

 

 

истока: 220°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура задней

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называемый комплект вспомогательных аг-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поверхности корпуса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

регатов (ременный привод помпы, генера-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

85°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тор, насос гидроусилителя руля

и другие

 

Температура вывода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

блоки) может быть полностью заменён

 

 

 

 

 

 

 

истока: 85°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

электрическими приводами. Для линейных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приводов, например клапанного позицио-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нера, также требуются МОП-ключи. Коро-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

че говоря, всюду, где требуется механичес-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кая сила, сейчас можно найти «электрон-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ный мускул» — устройство, которое управ-

Рис. 3.57. Технология Power bond позволяет

ляет электрическим током и, следователь-

но, электромагнитным устройством пози-

значительно повысить токи, используя обыч-

ционирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

ные корпуса TO220 и D-Pack.

В ближайшем будущем автомобильные

проводники придётся заменить плоскими

контроллеры будут работать, используя рас-

пределённый

интеллект (распределённое

соединителями. На Рис. 3.58 показан экс-

управление). При данном подходе электро-

периментальный корпус без проволочных

ника будет находиться непосредственно в

соединений для полумостового модуля на

исполнительном устройстве. Объединение

МОП-транзисторах (два МОП-транзисто-

механических и электронных компонентов

ра включены последовательно).

 

 

 

 

 

 

 

 

образует мехатронные компоненты. Ключи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с ещё более низким сопротивлением делают

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

возможным создание новых устройств с бо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GND

 

G1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лее высоким потребляемым током; 12-воль-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G2

 

 

 

S2

 

 

 

 

 

 

 

товая сеть бортового питания автомобилей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2

+V

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подошла к своим физическим границам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поэтому, начиная с 2005 года, напряжение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GND

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G1

 

 

 

S1

 

 

 

 

 

 

 

питания увеличилось более чем в три ра-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D1

 

G1

 

 

 

Вид сверху

 

 

 

 

 

 

 

 

за — до 42 В, таким образом, уровни мощ-

 

 

 

+VS

 

 

Вид снизу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ностей, которыми можно управлять, воз-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

растают почти на порядок. Поскольку по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОП-технологии едва ли возможно полу-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чить ключи с ещё более низким сопротив-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лением, следует больше внимания уделить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

технологии корпусирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первый этап — оптимизация технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

изготовления

соединений.

В

компании

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Infineon

было

разработано

специальное

Рис. 3.58. Экспериментальный корпус для по-

сильноточное

тройное соединение Power

лумостовых МОП-модулей без использования

bond. На Рис. 3.57 показаны температуры

 

 

 

 

 

 

 

проволочных соединений.

 

 

 

 

 

 

отдельных частей корпуса при работе с вы-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сокими токами. Как видно из рисунка, со-

 

Почему эта сборка из двух МОП-тран-

единительный проводник является «слабым

 

зисторов

 

является настолько

 

важной?

звеном» всей системы.

 

 

 

 

 

 

С точки

зрения эффективности

 

 

автомо-

В настоящее время для

работы при

 

 

бильных устройств одним из наиболее важ-

сверхвысоких токах в одном модуле разме-

ных финансово-экологических

факторов

щают несколько МОП-транзисторов. Если

является

 

потребление топлива.

 

Поэтому

даже этого недостаточно, то проволочные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 97 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

3.6. Мощные приборы для автомобильной электроники 97

почти все процессы преобразования энергии необходимо производить в импульсном режиме. При этом автономный режим работы реализуется при помощи синхронных выпрямителей. Почти во всех устройствах, будь то управление электродвигателем или повышающий/понижающий преобразователь, используются полумостовые схемы на МОП-транзисторах.

Условия эксплуатации приборов в автомобилях являются очень жёсткими — это касается и диапазона рабочих температур, и бросков напряжения, и токов короткого замыкания. Как следствие, особое внимание следует уделить области безопасной работы (SOA) современных транзисторов. Поэтому компанией Infineon была разработана и адаптирована под требования автомобильной электроники серия транзисторов OptiMOS. Данные транзисторы могут спокойно работать при температуре кристалла вплоть до +200°C. По другой специальной технологии были разработаны приборы IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором) для систем зажигания. Эти транзисторы могут выдерживать высокие напряжения и пропускать большие мощности.

Если требуется увеличить функциональные возможности устройства, то в одном корпусе необходимо реализовать дополнительные функциональные блоки. Это привело к появлению интеллектуальных ключей.

3.6.2.Транзисторы SmartFET и SmartIGBT

При использовании силовых МОПтранзисторов для управления затвором и проверки состояния прибора требуются дополнительные элементы. Когда нижние ключи работают с низкой частотой переключения, сигнал на затвор транзистора может подаваться напрямую со стандартного порта контроллера. На более высоких частотах и при управлении верхним ключом нагрузочная способность по току и максимальное напряжение серийно выпускаемых контроллеров могут оказаться недостаточными. Определение таких состояний прибора, как перегрузка по току, резкое отключение нагрузки, перегрев и короткое замыкание, может быть довольно затратным делом. Проблема может быть решена при помощи дополнительной схемы драйвера с

диагностическими функциями. Во многих случаях экономически выгодным решением является использование интеллектуальных полевых транзисторов (SmartFET) или интеллектуальных IGBT (SmartIGBT). В этих приборах коммутирующие функции объединяются с диагностическими либо по технологии «кристалл на кристалле», либо при помощи монолитной конструкции.

Компания Infineon предлагает очень широкий спектр интеллектуальных ключей.

Приборы типа TempFET были первыми в мире интеллектуальными ключами, имеющими защитные функции. При перегреве кристалл контроллера, приклеенный к силовому чипу, ограничивает напряжение на затворе. С внешней стороны этот прибор нельзя отличить от обычного МОП-тран- зистора, и он очень прост в использовании. На Рис. 3.59 показаны наиболее важные быстродействующие TempFET-транзисто- ры — Speed TempFET. Для того чтобы лучше были видны элементы конструкции, приборы на данном рисунке представлены без пластмассовой оболочки.

HITFET

Часто в дополнение к измерению и контролю температуры прибора требуется измерение тока и перенапряжений. Прибор с этими функциями всегда остаётся в области безопасной работы (SOA). Примером подобных приборов является семейство HITFET (от англ. Highly Integrated FET — полевой транзистор с высокой степенью интеграции), выпускаемое компанией Infineon. Блок-схема типового представителя этого семейства приборов приведена на

Рис. 3.60.

Кроме драйвера, управляющего затвором силового МОП-транзистора, в данном приборе имеется схема, которая производит измерение тока стока силового транзистора при помощи специальных датчиков. В дополнение к этому в прибор встроена защита от перенапряжения. Все защитные схемы, за исключением входной схемы защиты от статических разрядов (ESD), передают соответствующие сигналы на блок управления затвором.

На Рис. 3.61 представлена линейка этих приборов, оптимизированных для применения в автомобильной электронике.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 98 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

98 3. Силовые полупроводниковые приборы

Тип

 

VDS [В]

 

RDS(on)max

 

ID-ISO [А]

 

ID-ISO(max)

 

Корпус

прибора

 

 

 

[мОм]

 

 

 

[А]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BTS247Z

 

55

 

18

 

19

 

180

 

TO220

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BTS244Z

 

55

 

13

 

26

 

188

 

TO220

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BTS282Z

 

49

 

6.5

 

52

 

320

 

TO220

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.59. Speed TempFET — быстродействующие защищённые нижние ключи в корпусах с 3, 5 и 7 выводами.

 

 

 

Сток

 

 

 

OUT

 

 

Защита

 

 

 

от перенапряжения

 

IN

 

Управление затвором

 

Защита от

Контроль

Защита

Ограничение

электростатических

температуры

от КЗ

тока нагрузки

разрядов

 

 

 

 

 

 

Исток

 

 

 

GND

 

 

 

BTS 333

Рис. 3.60. Блок-схема транзистора HITFET с драйвером и диагностическими блоками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одноканальный

 

Двухканальный

 

 

 

 

Запираемый

С перезапуском

 

Запираемый

С перезапуском

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2000

 

BTS3205

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

500

 

BSP75

 

 

BTS3408

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[мОм]

200

BTS3110

BSP76

 

 

BTS3410

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

BTS3118

BSP77, BTS118

 

 

 

 

 

 

ON

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

50

BTS3134

BSP78, BTS134

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

BTS3142

BTS142

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

BTS333

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.61. Семейство транзисторов HITFET для автомобильной электроники.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 99 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

3.6. Мощные приборы для автомобильной электроники 99

VBB

VS

VTF

OUT

SSD

 

ENA

Блок

 

 

защиты и

 

ограничения

IN

 

Обратная

IFL связь по току

GND

Рис. 3.62. Блок-схема интеллектуального IGBT (BTS2145), выполненного по технологии «кристалл на кристалле».

Семейство состоит из одно- и двухканальных ключей, некоторые из которых имеют схемы защиты с защёлкой, а другие — схемы защиты с автоматическим опросом датчиков (с повторным запуском). В то время как ключи с более высоким сопротивлением (от 100 мОм до 2 Ом) изготавливаются по технологии SPT (Smart Power Technology), для производства приборов со сверхнизким сопротивлением применяется технология с вертикальным протеканием тока.

Интеллектуальные IGBT

В некотором отношении интеллектуальные IGBT являются особым вариантом нижних ключей. В автомобильной электронике они используются для управления катушкой зажигания. В современных автомобилях высокое напряжение, в основном, вырабатывается централизованно с помощью стандартных IGBT, а затем распределяется. Это требует использования очень дорогой высоковольтной разводки. Для того чтобы снизить затраты, были разработаны катушки зажигания, которые устанавливаются прямо на свечи зажигания (индивидуальные катушки зажигания) и управляются интеллектуальными драйверами. Поскольку интеллектуальные драйверы являются более надёжными и позволяют уменьшить размеры, а, следовательно, и вес

готового устройства, они имеют огромное преимущество перед обычными дискретными приборами. Компания Infineon разработала интеллектуальный IGBT BTS2145, изготовленный по технологии «кристалл на кристалле». На Рис. 3.62 приведена блоксхема данного прибора.

В дополнение к универсальному диагностическому интерфейсу он содержит все необходимые схемы для защиты IGBT от перенапряжений, перегрузки по току и перегрева. Внутреннюю структуру данного прибора можно увидеть на Рис. 3.63.

Верхний кристалл SPT4/90V, совместимый с питанием 42 В

Основной

кристалл IGBT

Рис. 3.63. Внутренняя структура интеллектуального IGBT BTS2145.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 100 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

100 3. Силовые полупроводниковые приборы

Аккумуляторная

батарея

Печатная плата или держатель для предохранителя

Решения по снижению стоимости системы, которые следует рассмотреть:

Отказ от использования предохранителей

Минимизация размеров проводов

Интеграция

Не требуется дополнительный теплоотвод

Дорожки печатной платы работают в качестве предохранителей

Миниатюризация

Нагрузка

Кремний вместо металлического теплоотвода

 

Рис. 3.64. PROFET в качестве верхнего ключа заменяет реле, имея значительно более высокую надёжность.

PROFET

Интеллектуальная технология позволяет реализовать в верхних ключах преимущества и оптимальный с точки зрения затрат уровень интеграции одного или более ключей с драйверами, схемами преобразования уровня, схемами защиты и средствами диагностики. С увеличением сложности микросхем диагностика приобретает ключевую роль. Без применения указанной функции, даже на сегодняшний день, будет почти невозможно осуществлять быстрые и экономически эффективные ремонтные работы. Компания Infineon разработала широкий ассортимент ключей с диагностическими функциями для работы в качестве верхних ключей — это так называемые PROFET (от англ. PROtected FET — защищённые полевые транзисторы). Кристаллы данных приборов изготовлены по интеллектуальной технологии, с вертикальным протеканием тока.

Поскольку в автомобиле очень большое количество функций децентрализовано, в нём требуется большое количество подобных ключей с диагностическими функциями почти для всех систем. Схема включения, а также преимущества использования данного семейства ключей представлены на

Рис. 3.64.

Однако основной областью применения данных приборов является кузовная электроника, поскольку PROFET превосходно подходят для включения электронных ламп накаливания, электродвигателей и резистивных нагрузок.

Они могут использоваться для коммутации номинальных токов вплоть до 50 А. Во

многих приложениях, в частности при включении ламп, применение теплоотводов не требуется, поскольку большая мощность выделяется только во время включения. За счет ограничения импульсных токов может быть уменьшено поперечное сечение проводов, а, следовательно, в конечном итоге могут быть уменьшены вес оборудования и расход топлива. Также без особых проблем возможна работа в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Даже дорогостоящие предохранители во многих случаях могут быть заменены более дешёвыми. Тем не менее, высокие значения импульсной мощности приводят к высоким тепловым нагрузкам на приборы. Эти циклы нагрева и охлаждения требуют использования надёжных в эксплуатации корпусов и применения ноу-хау в области топологии силовых микросхем. Типовая блок-схема ключа PROFET с четырьмя коммутируемыми выходами представлена на Рис. 3.65.

Как и в случае HITFET, ключи семейства PROFET имеют встроенные датчики тока, напряжения и температуры. Однако блок управления затвором является значительно более дорогостоящим, поскольку для уменьшения сопротивления МОП-транзис- тора в открытом состоянии напряжение от источника питания должно подаваться на затвор через генератор подкачки заряда. Для того чтобы снизить общую стоимость прибора, все требуемые схемы интегрируются в одном корпусе. Безопасная коммутация индуктивных нагрузок обеспечивается благодаря специальной схеме на базе стабилитрона. Характерным дополнительным элемен-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 101 из 589 (September 3, 2010, 15:11)

3.6. Мощные приборы для автомобильной электроники 101

GND

Каналы 1 и 2

 

VBB

 

Драйвер

 

RGND

Защита

 

затвора

от обратной

 

 

 

 

и генератор

полярности

 

Внутренний

подкачки

 

IN2

источник

заряда

 

питания

 

 

 

 

 

IS2

 

Датчик

Ограничение

 

 

 

 

 

 

напряжения

 

 

 

температуры

OUT2

 

Логика

при индуктивной

 

 

 

 

 

 

нагрузке

 

 

 

Детектор

 

 

 

 

холостого

 

OUT1

IN1

Защита

хода

 

 

 

 

 

 

IS1

от электро-

 

Ограничение

 

статических

 

 

 

Датчик

тока нагрузки

 

CLA

разрядов

 

 

тока нагрузки

 

 

IN3

Каналы 3 и 4

 

IN4

Схемы защиты и управления,

IS3

аналогичные схемам канала 1

IS4

OUT4

CLA

 

 

OUT3

 

BTS 5440G

Рис. 3.65. Блок-схема стандартного 4-канального ключа PROFET BTS5440.

том является схема защиты от обратного напряжения. Она гарантирует, что в случае изменения полярности напряжения модуль не получит тепловых повреждений.

Сигнализация каскада управления (микроконтроллера) осуществляется путём дискретизации аналогового выходного тока или посредством одного или более флагов состояния цифровых выходов. Выходы флагов выполняются по схеме с открытым стоком; таким образом, если потребуется, то можно считывать сигналы нескольких флагов, используя один порт ввода/вывода (схема wired OR — монтажное ИЛИ). Технология последнего поколения Smart5 даже позволяет встраивать в монолитную ИС последовательный периферийный интерфейс (SPI). В стадии разработки находятся соответствующие многофункциональные ключи, которые, например, осуществляют комплексное управление включением фар автомобиля.

Если требуются ещё более высокие токи, то для производства сильноточных PROFET используется технология «кристалл на кристалле». В данных приборах ин-

теллектуальный верхний кристалл приклеивается к кристаллу силового МОП-тран- зистора. Это позволяет с помощью выпускаемой компанией Infeneon уникальной ИС BTS555 коммутировать токи до 1000 А. В частности, при отключении таких больших токов дополнительной проблемой является индуктивность проводов источника питания, поскольку накопленная в ней энергия, например при коротком замыкании, должна быть рассеяна прибором PROFET.

Сильноточные PROFET являются хорошим примером того, как за счёт гибкого использования технологий изготовления полупроводниковых пластин (front-end) и технологий корпусирования (back-end) можно производить продукцию, оптимизированную по стоимости. Например, теперь можно коммутировать полное напряжение источника питания в автомобиле, т.е. напряжение на выводных клеммах аккумуляторной батареи. Это позволяет осуществлять управление питанием многих, ранее независимых нагрузок.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]