Nové spínací prvky pro moderní aplikace od STMicroelectronics®

Elektronické součástky najdeme dnes už téměř všude. Stále více se věnuje mnoho pozornosti a finančních prostředků na vývoj nových, výkonnějších mikroprocesorů a mikrokontrolérů, které umožňují navrhovat dokonalejší zařízení. Řada zařízení však potřebuje i jiné, kvalitní, prvky, které umožní navrhnout dokonalejší zařízení. Stačí se pozorně podívat kolem sebe a najdeme zde zařízení, která ani už nevnímáme a u nichž součástky s lepšími parametry dokáží zlepšit jejich funkci a vlastnosti.

Jednou nezanedbatelnou oblastí, kde moderní součástky s lepšími parametry dokáží významně zkvalitnit zařízení, je oblast zaměřená na výkonové řízení, například elektrických motorů. Ty jsou součástí mnoha zařízení kolem nás. Najdeme je např. v automatických pračkách, myčkách, kompresorech a mnoha jiných zařízeních. Pokud pro tato zařízení použijeme modernější součástky s lepšími parametry, můžeme ušetřit mnoho drahocenné energie a nabídnout zařízení s lepšími vlastnostmi.

Pro výkonové řízení nejen elektrických motorů s nízkými výkony jsou určeny nové IGBT tranzistory řady STGx6NC60HD s integrovanou antiparalelní diodou. Tranzistory této řady jsou vyrobeny špičkovou technologií Power‑MESH™, která vyniká extrémně krátkými časy přechodu tranzistoru z vypnutého stavu do sepnutého stavu (tr), které se pohybují v řádech jednotek ns, přičemž pracovní napětí mezi kolektorem a emitorem může být až 600 V a trvalý kolektorový proud při Tc=25 °C může dosáhnout hodnoty až 15 A a při teplotě Tc=100 °C může být ještě 7 A. Krátká doba sepnutí spolu s nízkým úbytkem napětí v sepnutém stavu, jehož typická hodnota je 1,9 V při Tc=25 °C, umožňuje pomocí těchto IGBT tranzistorů řízení zátěží do výkonu cca 300 W (platí pro pouzdro D2PAK) bez přídavného chlazení, což umožňuje konstrukci velmi kompaktních řídicích jednotek. Extrémně krátké spínací časy spolu s velmi krátkou dobou tfall umožňují zvýšit pracovní frekvence až na 80 kHz. Parametry IGBT dané výrobní technologií, vysoké povolené hodnoty di/dt a du/dt, umožňují další snížení ztrát díky potřebným nižším ochranným kapacitám (snubber).

Přírůstkem v kategorii výkonových tranzistorů Power MOSFET jsou tranzistory série STx5N52U s integrovanými ochrannými zenerovými diodami. Díky použité technologii Ultrafast MESH™ mají tyto nové tranzistory vynikající parametry, zejména nízký odpor kanálu v sepnutém stavu, který je typicky menší než 1,5 Ω, a to i přesto, že se jedná o tranzistory s vysokým povoleným napětím Uds, které může být až 525 V. Za velkou výhodu je možné považovat nízké parazitní kapacity a nízkou kapacitu řídicí elektrody, což zjednodušuje návrh budicích obvodů a snižuje ztráty, a to zejména při vyšších pracovních frekvencích, na kterých je možné tyto tranzistory provozovat, neboť tranzistory mají velmi krátký spínací čas tr=13,6 ns i rozpínací čas tf=15 ns. Zmíněné parametry umožňují návrh velmi kompaktních zařízení, neboť pro dodávaný výkon do 150 W nepotřebují tyto prvky chlazení. Typickými aplikacemi, kde je možné tyto nové polem řízené tranzistory použít, jsou řídicí jednotky pro jednofázové či třífázové motory s malými výkony, které najdeme například v přímotopech (větrák), v myčkách nádobí (vodní pumpa) či ledničkách (kompresor). Tranzistory se hodí též do měničů vysokého napětí pro LCD monitory či konstrukci elektronických předřadníků pro CFFL.

Posledním představovaným prvkem budou opět tranzistory IGBT a to konkrétně typ STGD3HF60HD. Tyto tranzistory jsou opět určeny pro zařízení napájené síťovým napětím, neboť maximální napětí UDS je 600 V. I když jsou tranzistory zapouzdřeny v malém pouzdru DPAK, může dosáhnout trvalý proud Ic hodnoty 7,5 A při teplotě Tc=25 °C. Vzhledem k faktu, že se předpokládá i provoz bez většího přídavného chlazení, zaujme i maximální kolektorový proud při teplotě pouzdra 100 °C. Při této teplotě může mít kolektorový proud velikost až 4,5 A. Díky extrémně krátkým spínacím časům se hodí opět pro vyšší frekvence.

Posledně dva jmenovaní zástupci, STx5N52U a STGD3HF60HD, i když založené na jiném principu, mají velmi podobné parametry a hodí se tedy pro zhruba stejný okruh aplikací. Vyvstává otázka, proč se vyrábí oba. Pokud ale pečlivě porovnáme všechny parametry, zjistíme, že Power MOSFET tranzistory řady STx5N52U mají nižší ztráty v porovnání s STGD3HF60HD v případě pracovních frekvencí nižších než 10 kHz. Pokud v aplikaci potřebujeme spínat s vyšší frekvencí, je lepší použít STGD3HF60HD, které nám umožní dosáhnout nižších ztrát.

Jak je z výše uvedeného vidět, představené IGBT a Power MOSFET tranzistory, posunují pomyslnou laťku vlastností těchto spínacích prvků zase o kus výše. Díky novým vlastnostem má tak konstruktér možnost navrhnout lepší zařízení s nižšími ztrátami a s novými, lepšími vlastnostmi. Snížení ztrát přispívá ke snížení spotřeby elektrické energie, nové vlastnosti představených tranzistorů umožňují nabízet výrobky s lepšími funkcemi. Obojí znamená velkou konkurenční výhodu a tím lepší pozici pro výrobky osazené lepšími součástkami na dnešním trhu.

Aktuální informace o novinkách od firmy STMicroelectronics® nejen z této, ale i mnoha dalších oblastí, můžete najít na webových stránkách www.st.com. Cenové nabídky je pak možné vyžádat u distributorů.