Nutzung eines hochentwickelten MOSFET-Prozesses für mehr Leistungsdichte und Zuverlässigkeit

Bei der Entwicklung von Netzteilen für Anwendungen wie DC/DC-Wandler, Motorsteuerungen, Lastschaltungen, Rechenzentren und Kommunikationstechnik besteht ständig die Herausforderung, den Footprint eines Designs zu reduzieren und die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine höhere Leistungsdichte erfordert jedoch Bauelemente mit minimaler Wärmeabgabe, um die Betriebstemperatur in Grenzen zu halten und die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Dazu werden aktive Schaltkomponenten benötigt, die nicht nur kleiner sind, sondern auch geringere Verluste bieten, sodass sie mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten können.

Bei der sorgfältigen Auswahl geeigneter Schaltkomponenten für die Entwicklung sind Eigenschaften wie Größe, Durchlasswiderstand, Durchbruchspannung, Schaltgeschwindigkeit und Sperrschichtladung zu berücksichtigen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Konstruktionsanforderungen von Netzteilen, die in einschlägigen Anwendungen eingesetzt werden. Dann wird eine hochentwickelte MOSFET-Prozesstechnologie von Toshiba vorgestellt und gezeigt, wie Bauelemente auf Basis dieser Technologie genutzt werden können, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Entwicklung der Anforderungen an die Netzteilkonstruktion

Elektronische Geräte in den verschiedensten Anwendungen werden immer kleiner, darunter Kommunikation, Automobiltechnik, Internet der Dinge (IoT), industrielles IoT (IIoT) und Wearables. Für die Entwicklung dieser Systeme werden kleinere Schaltnetzteile mit einer höheren Leistungsdichte benötigt. Um diese höhere Leistungsdichte zu erreichen, braucht es nicht nur kleinere, sondern auch effizientere Bauelemente, die während des Betriebs eine niedrigere Temperatur im Gerät ermöglichen und eine hohe Zuverlässigkeit der Konstruktion gewährleisten.

Die gängigsten aktiven Bauelemente in einem Schaltnetzteil sind MOSFET-Schalter, die sowohl auf der Primär- oder Hochspannungsseite als auch in den Niederspannungskreisen auf der Sekundärseite zum Einsatz kommen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Abgebildet ist ein Schaltnetzteil mit Niederspannungs-MOSFETs als Synchrongleichrichter im sekundärseitigen Schaltkreis; Hochspannungs-MOSFETs bilden primärseitig eine Vollbrückenschaltstufe. (Bildquelle: Toshiba Semiconductor and Storage)

Die Primärseite des Schaltnetzteils nutzt in der Regel Hochspannung. Beim netzunabhängigen Betrieb eines Netzteils richten die primärseitigen MOSFETs z. B. die Netzspannung gleich. Die Sekundärseite wird typischerweise mit einer niedrigeren Spannung betrieben, womit es sich dementsprechend um den Anwendungsbereich handelt, für den Niederspannungs-MOSFETs vorgesehen sind.

Hohe Wirkungsgrade und geringe Verluste

Ein hoher Wirkungsgrad wird in einem Netzteil durch Minimierung der Verlustleistung erreicht. Die Verluste bei aktiven Halbleiterbauelementen ergeben sich u. a. aus Leitungs-, Schalt- und Substratdiodenverlusten. Diese Verluste treten zu verschiedenen Zeitpunkten während des Betriebszyklus eines Bauelements auf (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Betriebszyklus eines MOSFET-Schalters (links) umfasst die Intervalle EIN, AUS und Übergang (rechts), wobei in jedem dieser Intervalle ein spezifischer Leistungsverlust auftritt. (Bildquelle: Toshiba Semiconductor and Storage)

Die MOSFETs in einem Schaltnetzteil haben zwei Betriebszustände: EIN und AUS. Der Zustand des Bauelements ändert sich in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung (V_GS). Wenn es eingeschaltet ist, erreicht die Drain-Source-Spannung (V_DS) einen niedrigen Pegel. Im EIN-Zustand wird der Drain-Source-Strom (I_DS) durch das Bauelement von der Lastimpedanz und dem Drain-Source-Widerstand im EIN-Zustand (R_DS(ON)) bestimmt. Bei einer induktiven Last steigt der Strom linear an, während er das Magnetfeld der Spule auflädt. Im EIN-Zustand kommt es aufgrund des Kanalwiderstands zu Leitungsverlusten, die proportional zum Quadratwert von I_DS und R_DS(ON) sind. Im ausgeschaltetem Zustand ist die V_DS hoch und der I_DS repräsentiert den Leckstrom des Bauelements, der für den Leitungsverlust in diesem Zustand maßgeblich ist.

Während der Übergänge zwischen den Zuständen betragen Spannung und Strom gleichzeitig nicht Null und die Verlustleistung im Bauelement ist proportional zu Spannung, Strom und Schaltfrequenz. Daraus ergeben sich die Schaltverluste.

Die Verzögerungsverluste werden durch die Sperrverzögerung der Substratdiode im MOSFET verursacht, wenn sie von einem leitenden zu einem nichtleitenden Zustand umschaltet. Die Restladung im PN-Übergang muss in dieser Zeit abgeführt werden, was zu einer Spitze im Sperrverzögerungsstrom und dem damit verbundenen Leistungsverlust führt. Der Verlust ist proportional zur Sperrschichtladung (Q_rr) des Bauelements, die wiederum die Sperrverzögerung bestimmt.

Die Gesamtverlustleistung des Bauelements ergibt sich aus der Summe all dieser Teilverluste.

Trench-Struktur ermöglicht kompaktere Bauelemente

Der physische Aufbau eines MOSFETs beeinflusst seine Größe und Abmessungen. Die Trench-MOSFET-Struktur (Abbildung 3) erlaubt die kompakteste Konstruktion und bietet die höchste Kanaldichte bei gleichzeitiger Reduzierung des R_DS(ON).

Abbildung 3: Die Trench-MOSFET-Struktur besitzt einen vertikalen Stromfluss, was zu einem kleineren Footprint führt. (Bildquelle: Toshiba Semiconductor and Storage)

Konventionelle planare MOSFETs nutzen einen horizontalen Stromfluss, während der Trench-Gate-Prozess einen vertikalen Gate-Kanal in Form eines U bildet. Dieser vertikale Fluss reduziert den Footprint des Bauteils, so dass mehr Bauteile mit einem Wafer hergestellt werden können. Durch die Struktur wird auch der R_DS(ON) verringert. Zusätzlich ermöglicht die höhere Layout-Dichte den parallelen Anschluss mehrerer Bauelemente, was den Durchlasswiderstand weiter reduziert. Die geringere Größe führt außerdem zu einer reduzierten Kapazität zwischen den Elektroden, was das schnellere Schalten und den Hochfrequenzbetrieb unterstützt.

Zudem sind die Schaltverluste eine Funktion der Übergangsdauer. Die Dauer wird durch die parasitären Kapazitäten des Bauelements bestimmt, die einen Ladungstransfer benötigen, bevor der Zustand des MOSFET geändert werden kann. Die Gesamt-Gate-Ladung (Q_g) ist die Ladungsmenge, die erforderlich ist, um das Gate-Potential auf seine vorgesehene Spannung zu ändern. Zur Senkung der Schaltenverluste muss die Schaltzeit durch Verringerung der Q_g verkürzt werden. Das Produkt aus R_DS(ON) und Q_g ist eine gängige Leistungskennzahl eines MOSFETs, die seinen Wirkungsgrad beziffert, indem Leitungsverluste, die proportional zum R_DS(ON) sind, und Schaltenverluste, die umgekehrt proportional zur Q_g sind, kombiniert werden. Je niedriger der Wert für das Produkt von R_DS(ON) x Q_g, desto besser die Leistung des MOSFETs.

Da in die Schaltverluste die umgekehrten Sperrverzögerungsverluste der Substratdiode einfließen, hilft das Produkt von R_DS(ON) und Q_rr dabei, die individuellen Auswirkungen von Leitungs- und Schaltverlusten zu verstehen. Auch wenn das Produkt von R_DS(ON) und Q_rr keine übliche Leistungskennzahl ist, erlaubt es dennoch weitere Rückschlüsse auf die Gesamtverlustleistung eines MOSFETs.

U-MOS-11-H-MOSFETs von Toshiba

Der U-MOS11-H-Prozess von Toshiba liefert auf Basis einer verbesserten Trench-Struktur MOSFET-Produkte mit einem niedrigeren R_DS(ON) für reduzierte Leitungsverluste und einem verbesserten Gesamtschaltverhalten durch eine niedrigere Q_g und Q_rr, was ihn zu einer soliden Lösung für Anwendungen mit niedriger Spannung und hohem Wirkungsgrad macht, wie z. B. Schaltnetzteile, Motortreiber und Servernetzteile.

Der MOSFET TPH2R70AR5-LQ von Toshiba ist für 100 V ausgelegt und ein Beispiel für die Verbesserungen, die der U-MOS11-H-Prozess bietet. Im Vergleich zu einem äquivalenten Bauelement aus einem früheren Prozess bietet der TPH2R70AR5 einen um ca. 8 % gesenkten R_DS(ON) und eine 37 % niedrigere Q_g. Die resultierende Leistungskennzahl aus R_DS(ON) x Q_g fällt 42 % niedriger aus.

Die Sperrverzögerungsverluste werden durch Einsatz einer Technologie zur Lebensdauerkontrolle minimiert, die durch Ionenstrahlen induzierte Defekte in den Halbleiter einbringt, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen und die Q_rr zu reduzieren. Die Q_rr wird um 38 % erhöht, womit das resultierende Produkt von R_DS(ON) x Q_rr 43 % niedriger ausfällt. Diese niedrigeren Leistungskennzahlen bedeuten eine geringere Verlustleistung, einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte.

Der TPH2R70AR5-LQ unterstützt eine maximale Drain-Source-Spannung von 100 V und Drain-Ströme von bis zu 22 A unter Umgebungsbedingungen und bis zu 190 A mit Kühlung (Gehäusetemperatur von +25 °C).

Der R_DS(ON) beträgt im ungünstigsten Fall 2,7 mΩ bei einem Drain-Strom von 50 A und einer Gate-Treiberspannung von 10 V; bei einer Gate-Treiberspannung von 8 V beträgt der R_DS(ON) im ungünstigsten Fall 3,6 mΩ. Die typische Q_g beläuft sich auf 52 nC bei einer Gate-Treiberspannung von 10 V und die typische Q_rr beträgt 55 nC.

Der TPH2R70AR5-LQ ist in einem oberflächenmontierbaren SOP-Advance(N)-Gehäuse mit 5,15 mm × 6,1 mm × 1 mm (Abbildung 4) untergebracht, das branchenübliche Montageverfahren ausgezeichnet unterstützt.

Abbildung 4: Abgebildet sind eine Ansicht des SOP-Advance(N)-Gehäuses (links) und die internen Schaltkreisanschlüsse des TPH2R70AR5-LQ (rechts). (Bildquelle: Toshiba Semiconductor and Storage)

Diese Gehäusegröße ist auf die maximale V_DS-Nennspannung des MOSFETs von 100 V abgestimmt. Die Gehäuseabmessungen von MOSFETs mit niedrigerer Spannung fallen aufgrund der geringeren erforderlichen Abstände kleiner aus.

Toshibas Unterstützung für dieses Produkt umfasst ein schnelles G0 SPICE-Klassifizierungsmodell, um eine schnelle Verifizierung der Schaltkreisfunktion während der Entwicklung zu unterstützen. Außerdem wird ein präziseres G2 SPICE-Klassifizierungsmodell angeboten, das eine Transientenanalyse beinhaltet.

Fazit

Der Niederspannungs-MOSFET TPH2R70AR5-LQ von Toshiba ist speziell für den Einsatz auf der Sekundärseite eines Schaltnetzteils konzipiert. Er nutzt eine neuartige Zellstruktur, die die Verlustleistung reduziert und das Schaltverhalten des Transistors verbessert. Das ermöglicht die Entwicklung von Leistungsbauelementen mit hoher Leistungsdichte und Zuverlässigkeit für moderne Anwendungen.