Gehäusetechnologie
Parasitäten minimiert
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Parasitäten minimiert
Keine höheren Sperrschichttemperaturen
Der NexFET-Power-Block weist ein gutes thermisches Verhalten auf: Für den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (Rth,JC) wurden 2 K/W und für den Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und der Umgebungsluft (Rth,JA) 50 K/W gemessen. Nun könnte man annehmen, dass die Stapeltopologie dazu führt, dass die Sperrschichttemperaturen steigen - insbesondere beim oberen Transistor.
In einem Versuchsaufbau, bei dem die Leiterplatte einer typischen Anwendung mit einem NexFET-Power-Block bestückt ist, dessen unterer Chip 2 W und dessen oberer Chip 1 W Verlustleistung freisetzen, ist die Temperatur der oberen MOSFET-Sperrschicht nur um 0,4 K höher als die beim unteren Bausteins. Die Ergebnisse sind recht annehmbar, wenn man bedenkt, dass der Wärmewiderstand zwischen den Chips extrem niedrig ist und ein beträchtlicher Teil der in der Stapelstruktur entstehenden Wärme über die Klammern nach außen abgeleitet wird.
Wegen seines günstigen thermischen Verhaltens und seiner niedrigeren Verlustleistungen kann der Baustein bei ähnlichen Temperaturen arbeiten wie konkurrierende Lösungen, bei denen zwei diskrete MOSFETs eingesetzt werden.
Zuverlässigkeit gewährleistet
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Bild 5 zeigt die Wärmebildaufnahme, die an einem einem MOSFET-Paar (links) und dem NexFET-Power-Block (rechts) gemessen wurden.
Beide Schaltungen wurden unter ähnlichen Bedingungen betrieben, wobei der Power-Block eine Sperrschichttemperatur entwickelte, die niedriger als die des diskreten unteren MOSFETs und geringfügig höher als die des oberen Bausteins war.
Eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Gehäusebauform ist die Zuverlässigkeit.
So hat der Power-Block bisher folgende Zuverlässigkeitstests bestanden:
- 1000 Temperaturwechselzyklen von -40 °C bis +125 °C (drei Zellen zu 77 Einheiten);
- 10 000 Leistungswechselzyklen bei einer Sperrschichttemperaturdifferenz von 100 K (drei Zellen zu 77 Einheiten);
- 96 Autoklaven-Betriebsstunden mit +121 °C und 100% rel. Luftf. (drei Zellen zu 77 Einheiten);
- 1000 Stunden im THB-Test (Feuchte-Wärme-Sperrtest bei +85 °C und 85% rel. Luftf. (drei Zellen zu 77 Einheiten));
- 1000 Stunden im HTRB-Test (Hochtemperatur-Sperrtest bei +150 °C und 80% der UDS-Nennspannung (drei Zellen zu 77 Einheiten));
- 1000 Stunden im HTGB-Test (Hochtemperatur-Gate-Stress-Test bei +150 °C und 80% der UGS-Nennspannung (drei Zellen zu 77 Einheiten)).
20% weniger Verluste
Kombiniert man die neue MOSFET-Technologie mit der Technik der Bauelementestapelung, so lassen sich die parasitären Größen der Bausteine erheblich reduzieren.
Der Wirkungsgrad eines solchen Power-Blocks liegt bei 25 A Laststrom um zwei Prozentpunkte über dem Wirkungsgrad zweier diskreter NexFETs mit ähnlichen Leitungs- und Schalteigenschaften (Bild 6).
Der Wirkungsgrad erreicht maximal 93% und beträgt 90,7% bei einem Laststrom von 25 A.
Dadurch sinkt die Verlustleistung um mehr als ein Fünftel. Die geringere Verlustleistung verbessert das thermische Verhalten und senkt die Systembetriebskosten.
Sie kann aber auch genutzt werden, um durch einen Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen die Leistungsdichte zu steigern.
Leiterplattenlayout wird einfacher
Gegenüber diskreten MOSFETs ermöglicht der NexFET-Power-Block aber nicht nur bessere elektrische Leistungen und ein Halbieren der Baugröße, sondern hilft dem Elektronikentwickler auch bei seiner Arbeit.
In Schaltungen mit diskreten Bauelementen muss nämlich beim Verbinden der beiden Transistoren das Layout sorgfältig ausgelegt sein, damit keine zu großen parasitären Induktivitäten entstehen - ein Problem, das sich beim Power-Block erst gar nicht stellt.
Durch die Pin-Anordnung lassen sich die diskreten Bauelemente einfach positionieren; so können beispielsweise Eingangskondensatoren nahe am Gehäuse angeordnet werden, während sich die Ausgangsinduktivität mit dem Schaltknotenpunkt, an dem naturgemäß Störungen erzeugt werden, auf der Gehäuseseite positionieren lässt, die dem Eingangskondensator und dem PWM-Controller-IC gegenüber liegt. Von Vorteil ist beim Power-Block auch der auf Massepotenzial liegende Lead-Frame, der das thermische Verhalten verbessert und elektromagnetische Störungen (Electromagnetic Interference, EMI) wirksam unterdrückt.
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