Moderne MOSFET-Technologien erhöhen Fahrzeugeffizienz Fit für die Zukunft

MOSFET-Technologien verbessern die Gesamtleistung von Fahrzeugen erheblich.
MOSFET-Technologien verbessern die Gesamtleistung von Fahrzeugen erheblich.

Vom einfachen Relais-Ersatz bis hin zur PWM-Antriebssteuerung – Leistungshalbleiter spielen eine immer wichtigere Rolle in der Automobilelektronik. Schon kleine Fortschritte in der MOSFET-Technologie verbessern die Gesamtleistung von Fahrzeugen erheblich

Energiemanagement ist heute eine zentrale Herausforderung für Entwickler im Automotive-Bereich. Kunden und Gesetzgeber erwarten einen geringeren Kraftstoffverbrauch und weniger Abgase, die Nutzer wollen mehr Komfort und Sicherheitsfunktionen wie elektrisches Zubehör, Klimaautomatik und verstellbare Spiegel. Elektrische Energie einzusparen ist unerlässlich geworden. Die Hybridisierung führt zu Systemen, die Energie zurückgewinnen. Dazu ist effiziente Elektronik nötig. Heutige und zukünftige Fahrzeuge werden mit immer mehr Leistungselektronik ausgestattet, beispielsweise Motorsteuerungen, Leistungsschalter, DC/DC-Wandler und Lichtsteuerungen. Der Erfolg eines Fahrzeugs am Markt hängt mehr und mehr von leistungsfähigen Bausteinen wie Leistungs-MOSFETs und deren Gate-Treibern ab. Moderne Technologien verbessern Wirkungsgrad und thermische Eigenschaften der Fahrzeuge. Ihr Einsatz sorgt für mehr Zuverlässigkeit und führt zu wesentlich weniger CO2-Emissionen.

Trench-Gate-Technologie ­betrachten

Die Entwicklung von Automotive-qualifizierten Leistungs-MOSFETs im Bereich von 30 bis 100 V konzentriert sich derzeit auf die Trench-Gate-Technologie. Das Auffüllen der Gräben (Trench Filling) wurde über Generationen verbessert und ermöglicht enger zueinander angeordnete Gräben. Bei einem bestimmten Durchlasswiderstand und bestimmter Nennspannung führt das zu einer kleineren Chipfläche. Parasitäre Kapazitäten werden ebenfalls niedrig gehalten und der Chip verfügt über wesentlich bessere Kennzahlen in Hinsicht auf RDS(ON)A (Durchlasswiderstand × Fläche) und RDS(ON)Ciss (Durchlasswiderstand × Eingangskapazität). Der RDS(ON)A -Wert eines 100-V-n-Kanal-MOSFETs, der in Toshibas aktuellem U-MOS-8-Prozess gefertigt wurde, ist etwa halb so groß wie bei einem U-MOS-IV-MOSFET. U-MOS 8 sorgt für einen 60 Prozent geringeren RDS(ON)Ciss-Wert im Vergleich zu U-MOS IV. RDS(ON)Ciss hat wesentlichen Einfluss auf die Ansteuerungsverluste, die sich wiederum auf die Stromversorgung und die Antriebsschaltkreise auswirken.

Die dynamische Leistungsfähigkeit verbessert sich ebenfalls. Die U-MOS-8-MOSFETs haben 50 Prozent weniger Schwingneigung beim Abschalten als U-MOS-IV-MOSFETs. Bei der Sperr-Erholung ergibt sich eine kleinere Schwingfrequenz, wodurch sich U-MOS 8 besser für Antriebssteuerungen eignet. Ein verbessertes Gehäuse erhöht die Zuverlässigkeit und führt zu höheren Spitzenströmen sowie einer höheren Stromdichte in Hochleistungsanwendungen wie der elektrischen Servolenkung (EPS; Electric Power Steering) und Hybrid-Umrichtern.

Die Bonddrähte in herkömmlichen Leistungs-MOSFET-Gehäusen begrenzen die Strombelastbarkeit und sind eine häufige Ausfallursache. Eine Kupferklemme in den neuen DPAK+-Gehäusen ersetzt die herkömmlichen Bonddrähte zum Gate und zur Source. Sie bietet eine große Kontaktfläche und wird direkt mit der Metallschicht des Chips verbunden. Damit verringert sich der Widerstand des Gehäuses; die thermische Effizienz und die Zuverlässigkeit verbessern sich. Die Kupferklemme senkt also den Widerstand und erhöht die Strombelastbarkeit.

Bild 1 zeigt die robustere Kupferklemme mit Gate- und Source-Anschluss im DPAK+-Gehäuse sowie die herkömmlichen Bonddrähte. Die Kupferklemme findet sich auch in Toshibas TO-220SM(W)-Gehäuse, das mit dem herkömmlichen D2PAK- (TO-263-) Gehäuse vergleichbar ist und einen Source-Anschluss aufweist, der dreimal breiter ist. Die Strombelastbarkeit steigt damit bis auf 200 A bei kleinerer Abmessung (13 mm × 10 mm) wie bei den Varianten 40 V/200 A (TK200F04N1L) oder 100 V/160 A (TK160F10N1).

Moderne Gehäuse sorgen für ­bessere Kühlung

Für Anwendungen im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich stehen eine Reihe neuer Gehäusetypen zur Verfügung, die über eine bessere thermische Effizienz verfügen als Vorgängermodelle ähnlicher Größe. Das DSOP-Advance-Gehäuse (Bild 2) hat die gleichen Maße wie das 5 mm × 6 mm große SOP, aber weist thermisch eine verbesserte Architektur auf: Durch Kühlung von beiden Seiten kann mehr Wärme abgeführt und so die Zuverlässigkeit erhöht werden. Im DSOP-Gehäuse ist die Source-Elek­trode auf der Oberfläche des Chips mit einer großen Elektrode auf der Oberseite des Gehäuses verbunden. Die Ausnutzung der Gehäuse-Oberfläche wird maximiert, was eine bessere Wärmeableitung begünstigt.

Bilder: 4

Neue Gehäusetypen kühlen besser Bilder 2-5

Neue Gehäusetypen kühlen besser Bilder 2-5

DSOP-Bausteine können mit Hilfe von Abstandshaltern und elektrisch isolierendem Wärmeleitgel mit herkömmlichem FR4-Substrat und auf der Oberseite mit einem Kühlkörper verbunden werden (Bild 3). Bei einem PWM-Schaltkreis verbessert sich damit der Wärmewiderstand zwischen Chip und Umgebung vor allem bei hohen Pulsbreiten (Bild 4).

Für Anwendungen im unteren Leistungsbereich, bei denen keine doppelseitige Kühlung erforderlich ist, weisen Gehäuse (Bild 5) wie SOP Advance, TSON Advance und PS-8 thermische Verbesserungen auf, mit denen sich die Wärmeableitung über die Unterseite des Bausteins in das Sub­strat erhöht. TSON Advance ist 3,3 mm × 3,3 mm groß und damit 64 Prozent kleiner als ein herkömmliches 5 mm × 6 mm großes SOP-8-Gehäuse bei einer vergleichbaren Wärmeableitung. Das PS-8-Gehäuse eignet sich für Anwendungen im unteren Leistungsbereich, zum Beispiel für kleine Motorantriebe und Magnetansteuerungen. Das Flat-Lead-Gehäuse mit mehreren Anschlüssen nimmt eine Fläche von 2,8 mm × 2,9 mm ein und ist 0,8 mm hoch. Toshiba bietet insgesamt elf N-Kanal-, p-Kanal-, Dual- und zugehörige Bausteine in diesem Gehäuse. Die Nennspannungen reichen von 40 bis 60 V; der Nennstrom reicht bis 10 A.