Leistungs-MOSFETs Abgeschirmtes Gate hebt den Wirkungsgrad

Ein möglichst hoher Wirkungsgrad ist bei Stromversorgungen ein entscheidendes Kriterium. Um das zu bewerkstelligen, sind extrem verlustarme MOSFETs wichtig. Allerdings muss man dabei immer einen Kompromiss zwischen niedrigem Durchlasswiderstand (niedrige Leitungsverluste) und geringer Gate-Ladung (niedrige Schaltverluste) eingehen. Eine neue MOSFET-Technologie soll diese Abwägung unnötig machen.

Sowohl Regulierungsstellen als auch Endkunden fordern einen immer höheren Wirkungsgrad bei DC/DC-Wandlern. Somit stehen die Entwickler vor der schwierigen Aufgabe, ihre Designs mit immer höherer Leistungsdichte und höherem Wirkungsgrad realisieren zu müssen. Fortschritte bei der Power-MOSFET-Technologie haben dazu beigetragen, dieses Ziel zu erreichen.

Beim Einsatz dieser Bausteine müssen die Entwickler allerdings im Hinblick auf den Einschaltwiderstand (RDS(on)) und die Gate-Ladung (QG) gewisse Kompromisse in Kauf nehmen, da normalerweise eine Reduzierung des einen Parameters gleichzeitig eine Erhöhung des anderen zur Folge hat. Ein neuer Trench-MOSFET-Prozess von Fairchild Semiconductor ermöglicht nun einen niedrigeren RDS(on), ohne dabei QG negativ zu beeinflussen.

Diese »Shielded Gate«-Technologie erlaubt die Reduzierung des Widerstands der Epitaxialschicht bei gleichzeitiger Beibehaltung der Durchbruchsspannung BVDSS. Dies ist eine entscheidende Komponente des Durchlasswiderstands bei MOSFETs für den mittleren Spannungsbereich, besonders im Bereich über 100 V.

Tabelle 1 zeigt die prozentuale Verteilung der RDS(on)-Komponenten bei 30-V- und 100-V-MOSFETs bei einem konventionellen Trench-Bauteil. Der Epitaxial-Anteil (REpi) ist bei 100 V viel größer. Durch ein Ladungs-Gleichgewichtsverfahren wie Shielded-Gate kann dieser Epitaxial-Widerstand um mehr als die Hälfte reduziert werden, ohne gleichzeitig die Komponenten QG oder QGD zu erhöhen.

RDS(on)-Komponente
UDS = 30 V
UDS = 100 V
RChannel
47 %
16 %
REpi
29 %
78 %
RSubstrat
24 %
6 %
Tabelle 1: RDS(on)-Komponenten bei einem konventionellen Trench-MOSFET (Gate-Spannung 10 V, Stromdichte 200 A/cm2)

Ladungsgleichgewichts-Verfahren

In Bild 1 (oben) sind die Querschnitte eines konventionellen (links) und eines Shielded-Gate-Trench-Bauteils (rechts) dargestellt.

Durch den Einsatz einer Abschirmungselektrode lässt sich ein Ladungsausgleich erreichen, sodass der Widerstand und die Länge der spannungsunterstützenden Region reduziert werden.

Dies senkt den Einschaltwiderstand deutlich.

Darüber hinaus ist die Abschirmelektrode unterhalb der Gate-Elektrode platziert, sodass sich ein Großteil der Kapazität zwischen Gate und Drain (CGD oder Crss) des konventionellen Trench-MOSFETs auf die Kapazität zwischen Gate und Source (CGS) verlagert.

Dadurch kann die Abschirmungselektrode die Gate-Elektrode gegen das Drain-Potenzial abschirmen.

Bild 2 stellt die Kapazitätskomponenten eines konventionellen und eines Shielded-Gate-Trench-MOSFET bei gleichem Einschaltwiderstand gegenüber.

Durch die Reduzierung der Rückwirkungskapazität Crss lassen sich die Schaltverluste minimieren, indem die Zeit für den Übergang vom ausgeschalteten (Off) in den eingeschalteten Zustand (On) und umgekehrt verkürzt wird.

Insbesondere die Reduzierung von QG, wie in Bild 3 dargestellt, vermindert die Schaltverluste, indem die Zeit verkürzt wird, während der am Bauteil gleichzeitig eine hohe Spannung und ein hoher Strom anliegen.

Zudem fungieren die Abschirmung und deren Widerstand als eine Art eingebautes Widerstands- (Rshield) und Kapazitätsnetzwerk (Cdshield), das als Komponente von Coss in Bild 3 dargestellt ist.

Dieses Dämpfungsnetzwerk verlangsamt die Umschaltung von niedriger auf hohe Spannung. Durch diese Eigenschaft des Shielded-Gate werden auch die Störaussendung (EMI) sowie du/dt-induzierte Einschalt- und Avalanching-Effekte während der Schaltübergänge reduziert.

Beispiel 1/16-Brick-Modul

Um die Leistungsverbesserungen verdeutlichen zu können, wurde der 150-V-MOSFET »FDMS86252« von Fairchild mit einem Shielded-Gate in einem isolierten DC/DC-Wandler mit einer Eingangsspannung von 48 V und einer Ausgangsspannung von 3,3 V sowie einer Schaltfrequenz von 400 kHz über den Strombereich von 10 A bis 20 A mit ähnlichen anderen MOSFETs verglichen.

Bild 4 zeigt, dass der FDMS86252 mit dem Shielded-Gate einen um mindestens 0,4% höheren Wirkungsgrad erreicht.

Dies ermöglicht eine Leistungsverbesserung von mindestens 0,32 W.

Dies erscheint zwar gering, kann aber in DC/DC-Designs entscheidend sein, insbesondere wenn es auf jeden Prozentpunkt ankommt, um die regulativen Anforderungen zu erfüllen.

Die Shielded-Gate-MOSFETs sind ab sofort bei Fairchild Semiconductor erhältlich.

 

Über die Autoren:

Mike Speed ist Marketing Director, Joe Yedinak ist Device Concepts Engineer und H.L. Lin ist Application Engineer, alle bei Fairchild Semiconductor