MOSFETs im TO-220 FullPAK Wide Creepage Isolationskriterien erfüllen

Wie lassen sich Isolationsvorschriften für MOSFETs ohne zusätzliche Arbeitsschritte und Einschränkungen des thermischen Verhaltens erfüllen? Zum Beispiel durch ein leicht adaptiertes Gehäuse mit höherer Kriechstrecke. Die Folge: einfacheres Design und höhere Zuverlässigkeit.

Bei der Entwicklung von Schaltnetzteilen sind die Schaltverluste sowie die Fähigkeit zur Wärmeableitung wesentliche Kriterien für die Auswahl der benötigten MOSFETs. Das Standard-TO-220-Gehäuse weist bereits eine gute Wärmeabfuhr auf, welche durch verschiedene Optionen an Kühlkörpern und Lüftern weiter verbessert werden kann. Dieser Artikel widmet sich speziell den Merkmalen und Vorteilen des TO-220-FullPAK-Gehäuses. Außerdem wird darauf eingegangen, wie sich Kriechstrecken für Hochspannungs-Schaltnetzteile erhöhen lassen und damit die Zuverlässigkeit weiter verbessert werden kann.

Ein wesentlicher Parameter bei MOSFETs ist die Isolationsspannung. Der UL1557-Standard für elektrisch isolierte Halbleiter-Bauelemente beschreibt für den Produktionstest, dass die definierte Isolationsspannung für 60 Sekunden oder 120 Prozent dieser Spannung für eine Sekunde erhalten werden muss. Bei den FullPAK-Bauelementen beträgt die Isolationsspannung 2500 V RMS. Alle entsprechenden Bauelemente von Infineon sind für diese Spannung getestet, qualifiziert und freigegeben.

Bei Gleichspannungstests wird die Spannung sukzessive erhöht und der Stromfluss überwacht. So kann die Durchbruchspannung ermittelt werden, bei der es zu einem potenziellen Durchbruch kommt. Der Gleichspannungstest ist hilfreich, um mechanische Beschädigungen oder Einschlüsse und Bereiche zu ermitteln, in denen die elektrische Schicht einen geringeren Widerstand aufweist.
Beim Wechselspannungstest werden beide Spannungspolaritäten angelegt. Der Testansatz ist ideal für Produkte, die im normalen Betrieb mit Wechselspannung betrieben werden. Da dies oftmals dem praktischen Einsatz entspricht, führen viele Hersteller – wie auch Infineon – solche Tests durch.

Auch das thermische und EMI-Verhalten sind kritische Faktoren. Bei einem Standard-TO-220-Gehäuse ist die Gehäuserückseite mit dem Drain-Anschluss verbunden. Bei der Montage eines Kühlkörpers wird ein thermisch leitendes und elektrisch nichtleitendes Material zwischen der Gehäuserückseite und dem Kühlkörper eingebracht. Dadurch kann es aber zu parasitären Kapazitäten kommen, was EMI-Probleme verursacht. Um dies zu verhindern, verfügt das TO-220 FullPAK über eine isolierte Gehäuserückseite, die zwar eine etwas reduzierte thermische Ankopplung aufweist, aber für geringere parasitäre Kapazitäten sorgt.

Aufgrund der mechanischen Eigenschaften kann für das TO-220 und das TO-220 FullPAK der gleiche Kühlkörper verwendet werden. Hierbei ist jedoch aufgrund des geringfügig schlechteren thermischen Verhaltens für das TO-220 FullPAK eine leicht höhere Temperatur zu erwarten. Das EMI-Verhalten beim Design mit dem TO-220 oder TO-220 FullPAK hängt weitgehend davon ab, wie der Kühlkörper auf dem Bauteil montiert und elektrisch verbunden ist. Grundsätzlich wird empfohlen, den Kühlkörper zu erden oder mit der Gehäusemasse zu verbinden.