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Energiesparende MOSFETs und IGBTS

Moderne Technologien für effiziente Halbleiter

11. Dezember 2014, 10:32 Uhr | von Florian Freund und Philip Lolies

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Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Power integriert

Integrierte Lösungen für die Leistungswandlung in Motorsteuerungsanwendungen sind ein weiteres Feld, auf dem STMicroelectronics mit dem »Power SiP«-Ansatz (SiP: System in Package) neue Lösungen auf den Markt bringt. Die »PowerSTEP« genannten Bauteile integrieren Treiberschaltung und MOSFETs in einem Leistungs-SMD-Gehäuse mit kleinem Formfaktor. Mit diesem Ansatz stehen vollständige Dreiphasen-Halbbrücken beziehungsweise für Schrittmotoren zwei Vollbrücken, die Treiberlogik, die Treiberstufen und auch die Rückkoppelstufen für das Erkennen von Systemfehlern in einem Gehäuse zur Verfügung. In den SiP sind alle Schutzlösungen für die Transistoren integriert, zudem Feedbacksignale an die Mikrocontroller. Meistens sind die Systeme über SPI-Schnittstelle an den Mikrocontroller angeschlossen, es gibt also eine bidirektionale Kommunikation mit einer SPI-Schnittstelle mit 5 MHz. Hierüber laufen die Steuerinformationen an das SiP, aber auch die Informationen über eventuelle Fehler zurück an den Mikrocontroller.

Durch das Design im Package ergibt sich für den Hersteller die Möglichkeit, die Leistungstransistoren mit sehr niedriger Induktivität anzusteuern. Somit konnten die Entwickler der Bausteine die Totzeiten noch genauer steuern und noch deutlich schärfer an die Schaltmöglichkeiten der Transistoren herangehen, weil die Ansteuerleitungen im Gehäuse viel kürzer sein können und damit viel geringere Streuinduktivitäten aufweisen, als dies mit einer diskreten Lösung möglich wäre. Auch die Brückenmittelpunktsschaltungen, in denen die großen dI/dt-Werte eigentlich den Löwenanteil der Störungen und Verluste erzeugen, sind im Package gelöst. Damit lässt sich der optimale Aufbau für eine Vollbrückenschaltung erreichen, weil sich die Anbindung der Drain- und Source-Anschlüsse in den Halbbrücken im Sub-Millimeterbereich bewegt. Trotz des kleinen Gehäuses erlauben diese Bausteine Effektivströme bis 10 A ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen, die über die Wärmeableitung über die Bauteilpads und Kupferflächen auf der Leiterplatte hinausgehen.

Für noch höhere Leistungen gibt es den Ansteuerteil getrennt, an den externe MOSFETs angeschlossen werden. Hier bietet STMicroelectronics neue »STripFET VII DeepGATE«-MOSFETs in F7-Trenchtechnologie an. Diese Technik mit einer verbesserten Gatestruktur ist so optimiert, dass der R_DS(on) und die Gateladung niedriger sind als bei bisherigen Lösungen auf dem Markt. Damit lassen sich der »Factor of Merit« verbessern und die Verluste weiter minimieren.

Nicht nur die Leistungshalbleiter, sondern auch die Kommunikation über SPI hat der Hersteller optimiert – beispielsweise die programmierbaren Alarmflags für bestimmte Bereiche wie die Erkennung von Open Source oder Open Drain oder Sync-Anbindung. Die Kommunikation mit den Bausteinen geht aber deutlich darüber hinaus, so lassen sich zum Beispiel für Schrittmotoranwendungen immer wiederkehrende Anforderungen direkt mit Befehlen adressieren. Über die SPI-Schnittstelle gibt der Anwender lediglich den jeweiligen Bewegungsablauf vor, die detaillierte Steuerung des Schrittmotors übernimmt die interne Motorsteuerung im SiP mit bis zu 128 Mikroschritten. So lässt sich mit dem »Move n«-Befehl definieren, wie viele Schritte der Schrittmotorantrieb machen soll. Mittels eines Befehls »Go to« definiert der Entwickler ein Ziel – und die Steuerung entscheidet selbständig über den besten Weg und die optimale Drehrichtung zu diesem Ziel. »Go to Dir« hingegen gibt die Richtung vor, in der das Ziel angefahren werden soll. Per »Go until« lässt sich ein Befehl bestimmen, der solange ausgeführt wird, bis ein bestimmtes Kriterium erfüllt ist − beispielsweise das Erreichen einer Schwelle. Diese Befehle sind als Software vordefiniert, so lassen sich Standardbefehle, die ein Schrittmotorantrieb regelmäßig benötigt, sehr einfach anwenden.

Alle vorgestellten Produkte sind bereits als Muster vorhanden, als Serienprodukte kommen sie laut Angaben von STMicroelectronics teilweise noch in diesem Jahr, auf jeden Fall aber Anfang des nächsten Jahres auf den Markt.

Über die Autoren:

Florian Freund ist Regional Technical Manager bei Silica und Philip Lolies ist Vice President Marketing & Application für EMEA bei STMicroelectronics.

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Papierdünne Batterien für »Tiny Tech«
Neben den Technologien für große Leistungen ist STMicroelectronics auch am anderen Ende des Spektrums aktiv und will mit Batterien, deren Dicke weniger als 0,25 mm beträgt, die kommenden Generationen von Anwendungen im »Internet of Things« und zukünftige ultraleichte und kleine Geräten für den Privatanwender mit Energie versorgen. Die wiederaufladbaren Solid-State-Batterien mit der Bezeichnung »EnFilm« eignen sich mit einer Kapazität von 700 µAh bei 3,9 V Nennspannung für batteriebetriebene Anwendungen geringer Leistung. Als Lebensdauer gibt der Hersteller zehn Jahre an und spezifiziert die 25,7 mm x 25,7 mm kleinen und flexiblen Bauteile für 4000 Ladezyklen. Da es sich um eine Solid-State-Technik ohne flüssigen Elektrolyten handelt, besteht im Falle einer Beschädigung keine Gefahr austretender Flüssigkeiten. Als Selbstentladungsrate gibt STMicroelectronics lediglich 20% der Kapazität über zehn Jahre an; damit dürften sich die Batterien beispielsweise gut für autarke Sensoranwendungen eignen. Zudem ist die Lithiumtechnik über eine 4,2-V-Ladeschaltung schnell wiederaufladbar. Wearables, also Kleidung mit integrierter Elektronik, sind ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet. Weil hier die gesamte Elektronik direkt in dem Kleidungsstück oder einem möglichst flachen Zusatzelement verschwinden soll, sind handelsübliche voluminöse Batterien nicht einsetzbar. Zudem muss die Batterietechnik sehr effizient sein und gewährleisten, dass die Batterie nicht ständig nachgeladen werden muss. Und die Batterie darf sich nicht schnell selbst entladen, wenn das Kleidungsstück über Wochen ungenutzt im Schrank hängen sollte. Auch Smartcards oder RFID-Tags lassen sich mit der EnFilm-Technik versorgen. So ließe sich beispielsweise die Kühlkette überwachen, indem man Tags mit der Batterie, einem Sensor und einem NFC-Kommunikations-IC an empfindlicher Ware anbringt und kontinuierlich die Temperatur aufzeichnet.

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Da es sich um eine Solid-State-Technik ohne flüssigen Elektrolyten handelt, besteht im Falle einer Beschädigung keine Gefahr austretender Flüssigkeiten. Als Selbstentladungsrate gibt STMicroelectronics lediglich 20% der Kapazität über zehn Jahre an; damit dürften sich die Batterien beispielsweise gut für autarke Sensoranwendungen eignen. Zudem ist die Lithiumtechnik über eine 4,2-V-Ladeschaltung schnell wiederaufladbar.

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Auch Smartcards oder RFID-Tags lassen sich mit der EnFilm-Technik versorgen. So ließe sich beispielsweise die Kühlkette überwachen, indem man Tags mit der Batterie, einem Sensor und einem NFC-Kommunikations-IC an empfindlicher Ware anbringt und kontinuierlich die Temperatur aufzeichnet.