Fortschritte in der MOSFET-Halbleiter- und Gehäusetechnik tragen entscheidend zu einem höheren Wirkungsgrad bei und reduzieren die Wärmeentwicklung bei der Leistungswandlung. Früher wurde eine verbesserte Leitfähigkeit auf Kosten schlechterer Schalteigenschaften und umgekehrt erzielt. Neueste Trench-Technologien erübrigen diesen Kompromiss und sorgen für eine höhere Leitfähigkeit und Schaltleistung.
Trench-MOSFETs haben ihre Technologie über verschiedene Generation immer weiter entwickelt: jedes Mal konnten so kleinere Chipzellen hergestellt werden. Die engere Anordnung führt zu einem geringeren Durchlasswiderstand pro Chipfläche. Gleichzeitig fallen die internen Chipkapazitäten gering aus, was das Schaltverhalten verbessert und die Belastung der Gate-Treiber-Schaltkreise verringert. Toshibas neueste
UMOS IX-H-MOSFETs bieten bessere Werte bezüglich RDS(ON) x A (Durchlasswiderstand x aktive Chipfläche) und RDS(ON) x Ciss (Durchlasswiderstand x Eingangskapazität), was zu einer höheren Leitfähigkeit und geringeren Gate-Treiber-Verlusten führt. Die verringerte Ausgangskapazität (COSS) senkt die Ausgangsladung (QOSS) und das erhöht die Schalteffizienz.
Die Verbesserungen des neuen UMOS-IX-H-Halbleiterprozesses sorgen im Vergleich zur UMOS-VIII-Generation für einen 42 Prozent geringeren Widerstand. Toshiba bietet 30- und 60-V-n-Kanal-MOSFETs auf Basis der neuen Technologie. Die 30-V-Bausteine weisen einen RDS(ON) von nur 0,6 mΩ (max.) bei UGS = 10 V und 2.160 pF typ. COSS auf. Der 60-V-MOSFET bietet einen RDS(ON) von 1,3 mΩ und eine typ. COSS von 960 pF.
Verbesserte Gehäuse
Verbesserungen auf der Halbleiterebene allein reichen heute nicht mehr aus, um die hohen Anforderungen im Markt zu erfüllen. Fortschrittlichere Gehäuse sind gefragt, die den elektrischen Widerstand verringern und einen geringen Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung garantieren, damit der Baustein höhere Ströme unterstützt. So lassen sich kompakte Systeme bauen, und die Leistungsdichte steigern. So werden kleinere, schlankere Endprodukte möglich, ohne dass deren Zuverlässigkeit beeinträchtigt würde
Die neuen Gehäuse verbessern die Kühlung und beseitigen bekannte Schwachstellen herkömmlicher Leistungsgehäuse wie das Drahtbonding zwischen Chip und Leadframe. Diese Drahtverbindungen verringern die Stromtragfähigkeit und sind fehleranfällig.
Das neue DPAK+-Gehäuse weist die gleiche Größe und Anschlussbelegung wie das herkömmliche DPAK-Gehäuse auf – mit nur einem Unterschied: jetzt stellen Kupferclips die Gate- und Source-Verbindung zu den metallisierten Elektroden auf dem Chip her. Diese Clips ersetzen die Aluminium-Bonddrähte, weisen einen großen Querschnitt auf und erhöhen die Kontaktfläche am Chip. Der elektrische Widerstand des Gehäuses und der Kontaktwiderstand können auf diese Weise erheblich verringert werden. Damit sinken die I2R-Verluste, eine höhere Strombelastung ist möglich und der Wärmewirkungsgrad sowie die Gesamtzuverlässigkeit werden verbessert.
Das TO-220SM(W)-Gehäuse ist ebenfalls mit Kupferclips ausgestattet, seine Form gleicht dem herkömmlichen D2PAK (TO-263). Es bietet allerdings einen Source-Anschluss, der mehr als dreimal so breit ist. Die Strombelastbarkeit steigt damit auf 200 A, während sich die Stellfläche auf nun 13 mm x
10 mm – mehr als 13 Prozent – verringert.
Beidseitige Wärmeableitung
Eine weitere neue Gehäusetechnik bietet das DSOP-
Advance: dieses verbessert das Wärmeverhalten (thermal performance) in platzsparenden Anwendungen, da die Wärme auf der Ober- und Unterseite des Gehäuses abgeleitet wird (Dual-Side). Toshiba bietet seine neuen UMOS IX-H-Leistungs-MOSFETs im DSOP-Advance an, das die gleiche Stellfläche wie das gängige 5 mm x 6 mm SOP aufweist. Im Inneren ist die Source-Metallisierung auf der Oberseite des Chips direkt mit einer großen Elektrode auf der Gehäuseoberseite verbunden. Damit wird Wärme über die Gehäuseoberseite abgeleitet und die Drain-Elektrode auf der Unterseite ist wesentlich größer als beim herkömmlichen SOP-Gehäuse. DSOP-Bausteine können mit FR4-Substraten verwendet werden und helfen, die Temperatur des Gesamtsystems zu verringern. Entwicklern verfügen so über mehr Spielraum bei der Gestaltung des Kühlkörpers.
Tests mit DSOP-Advance- und herkömmlichen SOP-Gehäusen zeigen einen um 26 Prozent besseren dynamischen Wärmewiderstand (RTH) beim DSOP-Advance.
Die Vorteile der UMOS IX-H MOSFET-Technologie und des DSOP-Advance-Gehäuses führen zu einem um mehr als 35 Prozent verbesserten RDS(ON)
Zu den anderen thermisch optimierten Gehäusen zählen SOP-Advance, TSON-Advance und PS-8. Sie ermöglichen eine Wärmeableitung nur über die Unterseite des Bausteins und eignen sich für kostengünstige Anwendungen im unteren Leistungsbereich. Das TSON-Advance erzielt eine vergleichbare Wärmeableitung wie das herkömmliche 5 mm x 6 mm SOP-8, bietet aber mit 3,3 mm x
3,3 mm eine um 64 Prozent kleinere Stellfläche.
Das 2,8 mm x 2,9 mm x 0,8 mm 8-Pin-Flat-Lead-Gehäuse PS-8 eignet sich ideal für kleine Antriebssteuerungen und Ansteuerung von Magnetventilen wie sie in der Automobilelektronik eingesetzt werden. Toshiba nutzt dieses Gehäuse für den Gate-Treiber-IC TPD7104F für Hochstrom-MOSFETs wie jene aus der neuen UMOS IX-H-Serie. Der Treiber enthält die erforderlichen Steuerlogik- und Schutzschaltkreise sowie eine Ladungspumpe. Diese erzeugt die Gate-Spannung, die für die High-Side-Gate-Steuerung in PWM-Anwendungen nötig ist.
Um die Entwicklung von Antriebssteuerungen mit neuesten MOSFETs und Treibern zu beschleunigen, bietet Toshiba eine Reihe von Referenzboards mit verschiedenen Steuerungskonzepten an z.B. mit Sinus-Kommutierung, Low-Side-PWM oder H-Brücken-Treiber.
Fazit
Entwickler in der Leistungselektronik müssen heute immer größere Wirkungsgrade auf immer kleineren Leiterplatten realisieren. Daneben soll die Bauhöhe niedrig sein, Wärme effizient abgeführt und eine minimale Anzahl externer Bauteile wie z.B. Kühlkörper verwendet werden. Neueste Trench-MOSFET-Technologie steigert den Wirkungsgrad und mindert die Wärmeentwicklung, während neue Gehäusetechniken wie Kupferclips und DSOP-Advance eine beidseitige Kühlung ermöglichen und das Wärmemanagement vereinfachen.
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