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Bis zu 40% effizienter - TOSHIBA SIC-MOSFETs im 4-Pin Gehäuse

1. November 2023, 9:00 Uhr | Simone Schiller

TOSHIBA hat seine SiC-MOSFETs der 3. Generation um Derivate im 4-Pin-Gehäuse erweitert. Der vierte Pin ermöglicht eine bisher unerreichte Effizienz bei Schaltverlusten. Ob mehr Leistung bei gleicher Kühlergröße oder generell kleinere Formfaktoren in Ihrer Applikation - Sicher ist: Sie gewinnen!

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TOSHIBA hat seine SiC-MOSFETs der 3. Generation um Derivate im 4-Pin-Gehäuse erweitert. Der neue vierte Pin ermöglicht eine bisher unerreichte Effizienz im Bereich der Schaltverluste, dadurch wird deutlich weniger Energie in Wärme umgesetzt. Das wirkt sich gerade in anspruchsvollen Anwendungen besonders positiv aus. Ob mehr Leistung bei gleicher Kühlergröße oder generell kleinere Formfaktoren in Ihrer Applikation - Sicher ist: Sie gewinnen!

Aber wie genau schafft nur ein Pin solche Vorzüge?

Über den Kelvin-Source-Anschluss!
Bei 3-Pin Gehäusen müssen sich Ansteuerung und Power einen Pin teilen. Es gibt also immer eine Doppelbelegung. Das wiederum führt zu diversen Nachteilen. Der vierte Pin bietet die Lösung. Er ist ein eigenständiger Kelvin-Source-Anschluss für das Ansteuersignal. Dadurch wird die Auswirkung der parasitären Induktivität des Leistungskreises auf die Ansteuerung eliminiert und das Schaltverhalten signifikant verbessert.

Im direkten Vergleich des TW045Z120C (4-Pin) mit dem TW045N120C (3-Pin) zeigt sich eine um 40 % gesteigerte Effizienz im Einschaltvorgang. Beim Ausschalten wird sie um 34 % gesteigert.

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Den Bauteilen der 3. Generation ist gemein, dass sie eine besondere Bauelemente Struktur besitzen. Bei dieser wird eine Schottky-Barrier-Diode (SBD) parallel zu der parasitären PN-Diode angeordnet. Das bringt entscheidende Vorteile:

Gesteigerter Dioden Wirkungsgrad

Die Durchlassspannung beträgt nur noch 1,35 V typisch. Die bekannten Mitbewerber liegen hier in einem Bereich von 3,2 bis 4,6 V.

Leistungsstarke Dioden

Die Shottky-Barrier-Dioden der TOSHIBA Bauteile sind auf den vollen Nennstrom der SiC MOSFETs spezifiziert. Das ist wichtig bei z. B. Totem-Pole PFC Schaltungen.

Einsparung parasitärer Induktivitäten

Bauteile mit dedizierter Diode (Co-Pack) benötigen zusätzliche Bonding Drähte. Durch die Integration der Schottky-Barrier-Diode auf dem Chip entfallen diese Bonding Drähte. Das kommt dem Schaltverhalten zugute und reduziert Störungen.

Effizientere Treiber

Durch die neue Chipstruktur konnte der Figure-of-Merit (FOM), also der Wert Ron*Qgd, im Vergleich zu der 2. Generation um 80 % reduziert werden. Damit bietet TOSHIBA den zurzeit niedrigsten Wert am Markt.

Dadurch arbeiten die Treiber deutlich effizienter und die Schaltgeschwindigkeit wird erhöht. Das führt zu einem erheblichen Wirkungsgradgewinn beim Einsatz in modernen, schnell schaltenden Anwendungen.

Sichere Ansteuerung

Die TOSHIBA Bauteile der 3. Generation bieten im Bereich der Ansteuerung gleich zwei elementare Vorteile im Vergleich zu Mitbewerbern. Zum einen haben Sie mit -10 bis 25 V den weitesten Gate-Source-Spannungsbereich. Das ermöglicht eine komfortable Reserve bei einem SiC MOSFET üblichen Betrieb von um die 18 V. Zum anderen schützt die geringe Spanne der Schwellspannung V_th vor ungewolltem Schalten.
Mit gerade einmal 3 V bis 5 V stellen Gate-Spannungsschwankungen oder Rauschen keine Herausforderung mehr dar. Daher kommt das Design des Gate Treibers mit weniger Bauteilen aus, was Kosten reduziert und gleichzeitig ein zuverlässiges Schaltverhalten ermöglicht.

Langzeitstabiler R_DS(ON)

Die intrinsische Diode eines SiC-MOSFETs hat einen direkten Einfluss auf die Langzeitstabilität des R_DS(ON).

Bei den Derivaten, die die Body-Diode nutzen, kann der R_DS(ON) schon nach wenigen Betriebsstunden um mehr als 40 % steigen - Bei den TOSHIBA SiC MOSFETs der 3. Generation beschränkt sich dieser Wert auch nach tausend Stunden auf einen hervorragenden Wert von kleiner 3 %.

Temperaturstabiler R_DS(ON)

Steigt die Kanaltemperatur eines MOSFETs, so steigt leider auch sein Kanalwiderstand. Bei einem Silizium-MOSFET ist dieser Effekt besonders ausgeprägt. Der R_DS(ON) wird bei einer Arbeitstemperatur von z. B. 125 °C um den Faktor 2 bis 3 höher sein als der Datenblattwert der üblicherweise bei 25 °C angegeben wird.

Bei SiC-MOSFETs ist dieser Effekt generell weit weniger ausgeprägt. Hier sind die 125 °C Werte des RDS(ON) üblicherweise um 40 – 60 % höher. Dagegen steigt z. B. bei dem TW027N65C von TOSHIBA der Wert von 28,6 mΩ bei 25 °C auf nur 29,9 mΩ bei 125 °C. Das sind gerade einmal 5 % des ursprünglichen Wertes.

Die Vorteile der TOSHIBA SiC-MOSFETs können Sie mit folgenden Bauteilen selbst erleben: