Höhere Leistungsdichte Infineons neue MOSFET-Generation in 40 V und 60 V

In der Elektronik geht der Trend zu höheren Leistungen und Leistungsdichten auch im Jahr 2012 weiter. Je nach Applikation liegt dabei der Fokus entweder auf einer Miniaturisierung der Baugruppe oder darauf, Ausgangsströme und somit -leistungen in unverändertem Bauvolumen zu erhöhen. Ein weiterer Wunsch ist oft, auf bedrahtete Bauteile wie TO220 oder sogar TO247 verzichten zu können. Die beiden neuesten MOSFET-Generationen von Infineon mit 40 V bzw. 60 V Sperrspannung erlauben es dem Entwickler nun, diese Anforderungen zu erfüllen.

Mit der vor einigen Jahren von Infineon entwickelten OptiMOS-3-Technologie gelang bereits eine deutliche Verringerung des Einschaltwiderstandes RDS(on) von bis zu 60 % im Vergleich zu damals etablierten MOSFET-Technologien. Auch die Kapazitäten CGS (Gate-Source Capacitance) und CGD (Gate-Drain Capacitance) konnten deutlich verringert werden; so ist ein schnelleres Schalten mit deutlich verringerten Schaltverlusten möglich.

Waren vor deren Entwicklung in vielen Anwendungen noch große, bedrahtete Bauteile im TO220 oder sogar TO247 notwendig, so konnte nun oftmals auf aufwendige und teure Kühlungstechnik verzichtet werden. Stattdessen war es nun möglich, SMD-Gehäuse wie D2PAK und SuperSO8 (5 × 6 mm²) ohne zusätzliche Kühlkörper einzusetzen. Das thermische Management wurde erheblich erleichtert. Dadurch konnte die Leistungsdichte der Schaltnetzteile bei gleichzeitig verringerten Systemkosten erhöht werden.

Die neue MOSFET-Generation wurde bereits im Jahr 2011 eingeführt. Als erster Transistor kam der neue 30-V-MOSFET auf den Markt und zeigte bereits große Vorteile im untersten Spannungsbereich. Nun ist auch die Entwicklung der 40-V- und 60-V-MOSFETs abgeschlossen. Im direkten Vergleich zu den Vorgängern der OptiMOS-Reihe zeigt sich nicht nur eine Reduzierung des Einschaltwiderstands RDS(on), sondern auch eine Verbesserung der Schalteigenschaften.

Bei den neuen MOSFETs mit einer Sperrspannung von 40 V konnte der RDS(on) um 40 % reduziert werden, bei 60 V Sperrspannung sogar um mehr als 48 % (Bild 1).

RDS(on) unter 1 mΩ

Nun bringt Infineon den ersten 40-V-MOSFET auf den Markt, der einen maximalen RDS(on) von weniger als 1 mΩ im SuperSO8 besitzt. Zusätzlich führt die Integration einer Schottky-ähnlichen Diode zu einem höheren Systemwirkungsgrad und kleineren Spannungsspitzen. Dabei handelt es sich um eine monolithisch integrierte Zellenstruktur, die im Vergleich zur normalerweise wirksamen Body-Diode des MOSFETs wesentliche Vorteile in einem weiten Lastbereich bietet.

Zum einen ist die Durchlassspannung deutlich geringer - z.B. bei 10 A Diodenstrom 0,45 V anstelle von 0,65 V -, zum anderen ist auch die „Reverse Recovery Charge“ Qrr vernachlässigbar klein, weil eben keine Body-Diode umgeladen werden muss. Letzteres resultiert in deutlich verbessertem Schaltverhalten im nicht-resonanten Betrieb. Zu erkennen sind diese Varianten am Buchstaben „I“ in der letzten Stelle der Bauteilebezeichnung, z.B. BSC010N04LSI.

Der RDS(on) ist zwar einer der wichtigsten Parameter eines MOSFETs, doch darüber hinaus sind weitere Werte für den Entwickler oft ebenso wichtig oder manchmal sogar noch bedeutender. Dies sind im Wesentlichen die Schaltverluste. Diese werden maßgeblich durch zwei Parameter beschrieben: Die „Figure-of-Merit Gate Charge“ (FOM Qg) zeigt dabei, wie viel Ladung und somit Energie in das MOSFET-Gate für ein definiertes Schalten übertragen werden muss, wohingegen die „Figure-of-Merit Output Capacitance“ (FOM Qoss) ein Anhaltspunkt für die Energie ist, die beim nicht-resonanten Schalten verlorengeht.

In Bild 2 sind diese beiden Werte für die 40-V- und die 60-V-MOSFETs dargestellt. Offensichtlich ist, dass bei den neuen OptiMOS mit 40 V und 60 V Sperrspannung alle drei Parameter, also RDS(on), FOM Qg und FOM Qoss, erheblich verringert werden konnten.

Besonders deutlich wird dies bei den 60-V-MOSFETs, bei denen der Gesamt-RDS(on), also inklusive des nicht unerheblichen Gehäusewiderstandes, auf nahezu die Hälfte reduziert werden konnte.