Trench-Gate-MOSFETs der nächsten Generation von Toshiba erhöhen Effizienz und Leistungsdichte

Bei der Auswahl eines MOSFET für die Versorgung von Anwendungen, die einen höheren Wirkungsgrad, ein kompakteres Design und zuverlässige Schalteigenschaften erfordern, stimmen Performance und Datenblattangaben nicht immer überein. Ein MOSFET kann scheinbar den Konstruktionsberechnungen entsprechen, aber nach Fertigstellung der Konstruktion aufgrund von Faktoren wie Schaltverlusten, Dioden-Erholungsverhalten und thermischen Beschränkungen nicht die gewünschte Performance erbringen.

Die Wahl des richtigen MOSFET kann den Unterschied zwischen einem Produkt, das kühl und effizient läuft, und einem, das überhitzt oder Energie verschwendet, ausmachen. Wichtige Kriterien für die erfolgreiche Verwendung sind unter anderem:

• Der Widerstand im eingeschalteten Zustand (R_DS(on)), der sich auf den Widerstand, den der MOSFET aufweist, wenn er vollständig eingeschaltet ist, bezieht. Ein niedrigerer R_DS(on) bedeutet, dass weniger Energie in Form von Wärme verschwendet wird, was sich direkt darauf auswirkt, wie effizient ein Gerät Strom leiten kann.
• Die Gesamt-Gateladung (Q_g), die angibt, wie viel elektrische Ladung erforderlich ist, um den MOSFET ein- und auszuschalten. Eine niedrigere Q_g ermöglicht ein schnelleres und energieeffizienteres Schalten, wodurch die Belastung der Gate-Treiberschaltung verringert wird.
• Die Sperrschichtladung (Q_rr), die angibt, wie viel Ladung freigesetzt wird, wenn die interne Diode des MOSFETs von leitend auf nichtleitend umschaltet. Ein niedriger Q_rr-Wert trägt zur Unterdrückung von Spannungsspitzen bei schnellen Schaltvorgängen bei, was zu einem rauscharmeren und zuverlässigeren Betrieb führt.
• Die Körperdioden-Erholung, die bestimmt, wie effizient die integrierte Diode des MOSFET die Leitung unterbrechen und für den nächsten Zyklus zurücksetzen kann. Eine schnelle, saubere Erholung reduziert elektrisches Rauschen und Wärme.

Die Anforderungen an den Wirkungsgrad steigen in einem Tempo, das die Möglichkeiten vieler bestehender Leistungsstufen übersteigt. Höhere Effizienz und größere Leistungsdichte in Anwendungen wie Schaltnetzteilen (SMPS), Industrieautomatisierung, Rechenzentrumsinfrastruktur und Automobilelektronik stoßen an die Grenzen herkömmlicher MOSFET-Technologien.

Vorteile von Trench-Gate-MOSFETs

Die MOSFETs U-MOS11-H von Toshiba bieten einen deutlich niedrigeren R_DS(on), minimierte Gate-Ladung und verbesserte Diodenerholungseigenschaften durch ein Trench-Gate-Design.

Jahrzehntelang wurden MOSFETs in einem horizontalen Layout gebaut, und zur Verbesserung der Performance musste in der Regel ein größeres Bauteil gewählt werden. Trench-Gate-MOSFETs verwenden einen vertikalen „Trench“ (Graben) im Silizium, um die Gate-Elektrode zu bilden, und keine flache Oberfläche. Bei dieser Technologie fließt der Strom vertikal durch das Silizium und nicht seitlich darüber. Das Gate umschließt den Kanal effektiver, so dass weniger Silizium für die Stromübertragung benötigt wird und der R_DS(on) bei einer bestimmten Chipgröße sinkt.

Trench-Gate-MOSFETs reduzieren den Q_rr erheblich, um große Spannungsspitzen zu unterdrücken, die bei Highspeed-Schaltungen auftreten können, und eignen sich daher ideal für hocheffiziente Stromversorgungen, DC/DC-Wandler und Leistungsstufen in der Automobilbranche oder der Industrie.

Der neue U-MOS11-H TPH2R70AR5,LQ (Abbildung 1) ist ein N-Kanal-MOSFET, der für 100 V ausgelegt ist und einen extrem niedrigen R_DS(on) von nur 2,7 mΩ (10 V_GS) aufweist. Dies entspricht einem um etwa 8% niedrigeren R_DS(on) im Vergleich zur vorherigen Generation der U-MOSX-H-Familie, was zu einer geringeren Wärmeentwicklung und einer höheren Leitungseffizienz bei hoher Belastung führt.

Abbildung 1: Der TPH2R70AR5,LQ von Toshiba ist ein Trench-Gate-MOSFET der nächsten Generation mit niedrigerem RDS(on), minimierter Gate-Ladung und verbesserten Diodenerholungseigenschaften. (Bildquelle: Toshiba)

Der Q_rr-Wert der neuen Generation ist um 38% niedriger als bei vergleichbaren Komponenten der früheren Generation, wodurch Spannungsspitzen und EMI beim Schalten reduziert werden. Die gesamte Gate-Ladung sinkt um etwa 37%, was ein schnelleres und saubereres Schalten bei geringerem Energiebedarf des Gate-Treibers ermöglicht.

Darüber hinaus verbessert dieser MOSFET auch andere Schlüsselkennzahlen, die für effiziente Leistungsdesigns wichtig sind. R_DS(on) × Q_g kombiniert den Durchlasswiderstand und die Gate-Ladung, um den Gesamtkompromiss zwischen Leitungs- und Schaltverlusten aufzuzeigen. R_DS(on) × Q_rr gilt auch für die Körperdiode des MOSFET und gibt an, wie viel Stress, Wärme und Spannungsspitzen während der Diodenerholung auftreten. In beiden Punkten ist der U-MOS11-H um mehr als 40% besser als die Vorgängergeneration, was den Ingenieuren mehr thermischen Spielraum und einen saubereren Betrieb ermöglicht, ohne den Footprint des Gehäuses zu vergrößern.

Kleinere, leichtere Designs

Da die Nachfrage nach kompakten, effizienten DC/DC-Wandlern und Schaltnetzteilen in Anwendungen wie Servern und 5G-Infrastrukturen steigt, sind MOSFETs wie der U-MOS-11-H unerlässlich, um kleinere, leichtere Designs mit hoher Leistungsdichte zu ermöglichen. Geringere Leitungs- und Schaltverluste verbessern die Energieeffizienz, verringern den Kühlungsbedarf und können die Gesamtsystemkosten und die Designkomplexität senken.

Der U-MOS-11H ist ein zuverlässiger und gut dokumentierter MOSFET-Baustein für Standard-Stromversorgungsprojekte, der ohne komplizierte Gate-Treiber oder spezielle Anforderungen einfach zu verwenden ist. Es schafft ein effektives Gleichgewicht zwischen Effizienz, Zuverlässigkeit und einfacher Implementierung.

Für fortschrittliche Anwendungen bieten diese aktualisierten Toshiba-MOSFETs die Möglichkeit, die Grenzen der Leistungsdichte und des thermischen Wirkungsgrads zu erweitern. Sie unterstützen Designs wie kompakte Schaltnetzteile (SMPS), hochdichte Server- oder Workstation-Netzteile sowie effiziente batterie- oder motorbetriebene Systeme - und das alles innerhalb eines bewährten Silizium-MOSFET-Frameworks.

Aus strategischer Sicht kombiniert der U-MOS11-H die bewährten Stärken der bewährten Silizium-MOSFET-Technologie mit den neuesten Verbesserungen in Bezug auf Effizienz und Schaltverhalten, um den Ingenieuren eine Hochleistungslösung zu bieten, die neben den modernsten Endstufenlösungen eine überzeugende Wahl darstellt.

Fazit

Die MOSFETs U-MOS11-H von Toshiba nutzen die ausgereiften, kosteneffektiven Vorteile von Silizium-MOSFETs wie Zuverlässigkeit, breite Verfügbarkeit und vorhersehbare Performance mit den neuesten Leistungsverbesserungen und ermöglichen es Entwicklern, kleinere, effizientere und zuverlässigere Leistungselektronik für die anspruchsvollen Anwendungen von heute zu entwickeln.