Применение транзисторов DirectFET в звуковой аппаратуре класса D

Полевые транзисторы с изолированным затвором, выполненные по технологии DirectFET, компания International Rectifier впервые представила в 2002 году (Рисунок 1), а исполнения для усилителей звуковых часто (УЗЧ) класса D – в 2006 году. Компании International Rectifier (IR), основанной в 1947 году в г. Инглвуде (Калифорния, США), принадлежит первенство в создании ряда полупроводниковых технологий мирового уровня. В январе 2015 года IR была приобретена компанией Infineon Technologies AG (Германия) за 3 млрд долларов, и с тех пор продукция IR, включая приборы DirectFET, входит в общую номенклатуру продуктов немецкой компании.

Рисунок 1.	Первые транзисторы DirectFET компании International Rectifier.

Применение транзисторов DirectFET в импульсных источниках питания, преобразователях напряжения и УЗЧ дает возможность существенно улучшить эксплуатационные характеристики аппаратуры, в которой они применяются, повысить ее эффективность (КПД), а также снизить уровень электромагнитных излучений и паразитные индуктивности выводов приборов. Лучше понять, почему приборы DirectFET имеют такие преимущества, поможет их сравнение с традиционными транзисторами MOSFET в пластиковых и металлических корпусах.

В процессе эволюции MOSFET усилия разработчиков были направлены на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик, в частности на снижение сопротивления открытого канала транзисторов R_DS(ON), поскольку, чем меньше это сопротивление, тем меньше рассеиваемая на кристалле мощность потерь, выделяемая в виде тепла. Другим важным параметром MOSFET является заряд затвора Q_G, снижение которого повышает возможную частоту коммутации приборов и, как следствие, КПД устройств.

В определенный момент дальнейшие усовершенствования технологии производства транзисторов стали наталкиваться на ограничения, связанные с конструкцией их корпусов. В частности, сопротивление проволочных проводников, соединяющих кристалл с выводами корпуса, стало соизмеримым с R_DS(ON), что оказалось препятствием для дальнейшего снижения потерь проводимости открытого канала транзисторов. Кроме того, паразитная индуктивность этих проводников снижала качество переходных процессов при переключении приборов (выбросы и паразитные колебания в моменты переключения).

Рисунок 2.	Внешний вид однокристального транзистора DirectFET.

Усовершенствования MOSFET в стандартных корпусах SO-8 или BGA не привели к заметному улучшению их характеристик, и только после появления технологии DirectFET компании IR перечисленные выше проблемы были успешно преодолены. Внешний вид однокристального транзистора DirectFET показан на Рисунке 2, а внутренняя структура прибора приведена на Рисунке 3. В приборах используются специальные кристаллы MOSFET с двусторонним расположением выводов. При этом выводы стока транзисторов приварены к обратной стороне медной крышки корпуса, а выводы истоков и затворов выполнены в виде контактных площадок. Пайка приборов на площадки печатных плат производится в едином технологическом цикле при температуре порядка 260 °С. Демонтаж приборов с помощью обычного паяльника невозможен, необходимо применение специализированных паяльных станций, осуществляющих общий нагрев приборов до необходимой температуры. Это обстоятельство является в определенном смысле недостатком конструкции, как, впрочем, и всех полупроводниковых приборов в корпусах BGA, не имеющих доступа к выводам, что затрудняет ремонт аппаратуры в домашних условиях.

Рисунок 3.	Внутренняя структура однокристального транзистора DirectFET.

Остановимся на основных особенностях и преимуществах приборов DirectFET.

• Оптимальные размеры корпуса. По сравнению с соизмеримыми по мощности приборами в корпусах SO-8 площадь транзисторов DirectFET примерно на 40% меньше.
• Очень низкое сопротивление выводов (порядка 0.1 мОм), в 14 раз меньшее, чем у приборов в корпусах SO-8. На Рисунке 4 показаны приборы в корпусах SO-8, Cu-Strap SO-8, и DirectFET; красными стрелками показаны пути токов через приборы.

Рисунок 4.	Приборы в корпусах SO-8, Cu-Strap SO-8 и DirectFET. Красными стрелками показаны пути токов через приборы.

• Низкое тепловое сопротивление R_TH и высокая рассеивающая способность корпуса приборов DirectFET, значительно лучшая, чем у традиционных аналогов в пластиковых корпусах SO-8, отвод тепла от которых осуществляется только через выводы приборов. Тепловое сопротивление между кристаллом и печатной платой у приборов DirectFET составляет порядка 1 °С/Вт (у SO-8 – порядка 20°С/Вт). Тепловое сопротивление между верхней поверхностью корпуса и кристаллом DirectFET – около 3 °С/Вт (у SO-8 – 55 °С). Чем меньше R_TH, тем лучше условия для отвода тепла от транзисторов и меньше необходимые габариты радиаторов охлаждения; в этом отношении явное преимущество у DirectFET.
• Низкая паразитная индуктивность корпуса. Из-за отсутствия проводников между кристаллом и выводами приборы DirectFET имеют самую низкую паразитную индуктивность порядка 5 нГн на частоте 5 МГц – в три раза меньше, чем у приборов в корпусах SO-8, что существенно улучшает качество переходных процессов при переключении транзисторов. На Рисунке 5 приведены характеристики переключения сопоставимых приборов в корпусах DirectFET и SO-8. Как видно из диаграмм, уровень и длительность выбросов при переключении у транзисторов DirectFET значительно меньше.

Рисунок 5.	Характеристики переключения сопоставимых приборов в корпусах DirectFET (а) и SO-8 (б).

В 2008 году IR представила новое поколение приборов DirectFET2, в которых используются полевые транзисторы, выполненные по технологии TrenchFET Gen 10.59. Технологию производства MOSFET с «канавочным» затвором (Trench gate) первого поколения (Gen 8) IR начала использовать с 2000 года. Впоследствии были реализованы поколения Gen 10.52, Gen 10.55 и к 2007 году – Gen 10.59. Транзисторы TrenchFET выпускались в корпусах SO-8, Dpack и DirectFET различных модификаций. В 2011 году IR представила линейку низковольтных «автомобильных» приборов DirectFET2, представляющих собой комбинацию транзисторов, выполненных по технологии HEXFET Power MOSFET и корпусов DirectFET. Новые приборы предназначены для применения в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями и включают несколько типов транзисторов различной мощности. Рассмотрим их особенности и основные характеристики на примере транзистора AUIRL7732S2TR:

• Оптимизированы для автомобильных DC/DC преобразователей, драйверов двигателей и других силовых приложений.
• Малая площадь под монтаж, низкий профиль и высокая плотность мощности.
• Напряжение пробоя сток-исток прибора V_(BR)DSS составляет 40 В, максимальный ток стока 58 А, сопротивление открытого канала 5-6.6 мОм, заряд затвора 22 нКл, максимальная рабочая температура корпуса 175 °С, габариты корпуса 4.8 × 3.8 × 0.7 мм.

Транзисторы IR в корпусах DirectFET нашли применение в самых различных областях. Наиболее широко они используются в DC/DC преобразователях источников питания для компьютеров, серверов, телекоммуникационного и медицинского оборудования, а также в аудиоаппаратуре класса D. Напомним читателям, что усилители класса D работают не со звуковыми сигналами, как например усилители классов А и АВ, а с модулированными импульсными последовательностями. Наиболее часто в звуковой аппаратуре класса D используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ/PWM), реже модуляция плотности импульсов (ПИМ/PDM). Частота следования импульсов при ШИМ может составлять от сотен килогерц до единиц мегагерц. Чем выше частота, тем меньше габариты компонентов выходных фильтров нижних частот, устанавливаемых на выходах усилителей класса D для выделения звуковых сигналов. Однако при работе на высоких частотах возрастают требования к ключевым транзисторам усилителей; в этом отношении приборы DirectFET весьма перспективны.

Звуковые сигналы в усилителях класса D, в отличие от традиционных класса AB, формируются фактически косвенно. В реальности усиливается мощность ШИМ-сигналов, поэтому качественные параметры звука усилителей класса D зависят от ряда специфических факторов, не характерных при традиционном усилении звуковых сигналов в классах А, АВ, G, H, T. К факторам, влияющим на качество и КПД усилителей класса D, относятся, например, ошибки квантования при преобразовании звуковых сигналов в ШИМ-сигналы (невысокая частота следования импульсов, нелинейность треугольного сигнала и т. п.), время задержки включения/выключения ключей и переходные процессы, потери проводимости и переключения ключей, потери в ФНЧ и другие факторы. При использовании в качестве ключей MOSFET наиболее важными факторами являются их сопротивление R_DS(ON) и заряд затвора Q_G.

Для применения в усилителях класса D компания International Rectifier специально разработала ряд транзисторов Digital Audio MOSFET, характеризующихся следующими особенностями:

• Ключевые параметры R_DS(ON), Q_G и Q_RR (заряд восстановления обратного диода) оптимизированы для получения максимального КПД, минимальных гармонических искажений (THD) и электромагнитных излучений усилителей класса D.
• Низкое значение внутреннего сопротивления затвора R_G способствует снижению времени задержки включения/выключения приборов.
• Новые инновационные типы корпусов DirectFET обеспечивают большую гибкость при конструировании устройств с отличными характеристиками.

Рисунок 6.	IRF6665 – MOSFET для усилителей класса D средней мощности.

Лучшим MOSFET для усилителей класса D средней мощности компания считает прибор IRF6665 DirectFET (Рисунок 6). Основные особенности и характеристики транзистора:

• Низкое значение сопротивления R_DS(ON), не превышающее 62 мОм, обеспечивает высокий КПД усилителей класса D.
• Малый заряд затвора Q_G не более 11.7 нКл и малый заряд восстановления обратного диода Q_RR порядка 37 нКл обеспечивают малые THD усилителей.
• Высокая теплоотводящая способность позволяет реализовать усилитель класса D с выходной мощностью 100 Вт/8 Ом без внешних радиаторов охлаждения.
• Напряжение сток-исток до 100 В, ток стока до 19 А.
• Типовые значения параметров:
  • R_DS(ON) = 53 мОм,
  • Q_G = 8.4 нКл,
  • R_G = 1.9 Ом,
  • Размеры 4.8 × 3.8 × 0.5 мм

На основе этих транзисторов IR разработала демонстрационную плату двухканального усилителя класса D с выходной мощностью 2 × 150 Вт на нагрузке 4 Ом при напряжении питания ±35 В. В качестве драйверов затворов применены микросхемы IR2011 собственного производства. Устройство характеризуется высоким КПД – 94% при нагрузке 4 Ом и 96% при нагрузке 8 Ом. Условия измерения: U_ПИТ = ±35 В, f_ШИМ (f_SW) = 395 кГц, THD = 1%, Р_ВЫХ = 120 Вт и 65 Вт, соответственно. При выходной мощности 1/8 от рейтинговых значений THD + N усилителя составляют 0.0057% и 0.0031% при сопротивлениях нагрузки 4 Ом и 8 Ом, соответственно, что отвечает требованиям к аппаратуре Hi-Fi класса.

Приборы DirectFET компании International Rectifier нашли применение и в серийной аудиотехнике различных производителей, например, в моноблочных домашних аудиосистемах Sony MHC–V5/V6D/V7D разработки 2014/2015 года (Рисунок 7).

Рисунок 7.	Моноблочная домашняя аудиосистема Sony MHC–V5.

Звуковые тракты рассматриваемых аудиосистем выполнены практически на одинаковой элементной базе по схемам усилителей класса D. В качестве транзисторов звукового тракта использованы IRF6775MTR – ключевые MOSFET фирмы International Rectifier семейства DirectFET (Рисунок 8).

Рисунок 8.	IRF6775MTR – ключевой MOSFET семейства DirectFET.

Транзисторы IRF6775MTR (спецификации 2014 г.) со встроенными обратными диодами в корпусах DirectFET с размерами 6.3 × 5 × 0.65 мм специально разработаны для применения в звуковых усилителях класса D с выходной мощностью до 250 Вт.

Основные особенности и характеристики приборов:

• Оптимизированные ключевые параметры приборов для применения в усилителях класса D.
• Малое сопротивление R_DS(ON) = 47-56 мОм для обеспечения высокого КПД устройств класса D.
• Малый заряд затвора Q_G = 25-36 нКл для снижения искажений (THD) и увеличения КПД усилителей класса D.
• Малый заряд восстановления обратного сопротивления встроенного диода Q_RR = 164 нКл для снижения искажений и уровня электромагнитных излучений.
• Малая паразитная индуктивность корпуса приборов для снижения выбросов и уровня электромагнитных излучений.
• Достижимая выходная мощность усилителей класса D – 250 Вт/4 Ом в полумостовой конфигурации.
• Совместимость с технологией поверхностного монтажа.
• Напряжение сток-исток до 150 В, ток стока до 28 А, мощность рассеяния до 89 Вт.
• Диапазон рабочих температур кристалла –40 °С … +150 °С, тепловое сопротивление кристалл-корпус 1.4 °С/Вт.
• Возможность двустороннего отвода тепла от корпуса приборов. Такая возможность реализована, в частности, в рассматриваемых аудиосистемах Sony. На Рисунке 9 показан внешний вид печатной платы двухканального усилителя модели MHC-V7D с радиатором охлаждения относительно небольших размеров. На обратной стороне платы также установлена планка радиатора дополнительного охлаждения.

Рисунок 9.	Печатная плата двухканального усилителя модели MHC-V7D.

• Номенклатура транзисторов в корпусах DirectFET весьма широка, в каталогах компании Infineon Technologies фигурируют десятки типов таких приборов, включая транзисторы для усилителей класса D, причем приборы выпускаются в корпусах самых различных типоразмеров и с различным числом выводов электродов транзисторов (Рисунок 10).

Рисунок 10.	Типоразмеры корпусов транзисторов DirectFET.

Многие любители высококачественного звука, как и ряд экспертов в этой области, считают усилители класса D не соответствующими требованиям к аппаратуре класса Hi-Fi. В то же время некоторые производители все же используют такие усилители даже в топ моделях. Например, в 9-канальных AV-ресиверах премиум класса Pioneer SC-LX85/75 (для Европы – SC-LX75, Рисунок 11) и SC-57/55 (для Северной Америки) используется технология Direct Energy HD Amplifier (усилитель высокого разрешения с прямой передачей энергии). Основные особенности технологии: высокая частота следования ШИМ-импульсов (до 500 кГц), применение высокоэффективных ключевых транзисторов DirectFET, регулировка интервалов стробирования фронтов импульсов (Dead Time) с целью минимизации гармонических искажений.

Рисунок 11.	AV-ресивер Pioneer SC-LX75.

Усилители мощности ШИМ-сигналов упомянутых выше AV-ресиверов Pioneer выполнены на основе драйвера затворов IR2011S и DirectFET транзисторов IRF6775 компании International Rectifier. Напряжение питания ±64 В на усилители подается от линейного источника с силовым трансформатором и конденсаторами фильтра 10,000 мкФ × 80 В. Заявленный общий коэффициент гармонических искажений (THD) аппаратов 0.04% при выходной мощности 130 Вт на нагрузке 8 Ом и частоте 1 кГц.