Die besten MOSFETs für kritische Automotive-Anwendungen

| Autor / Redakteur: Georges Tchouangue, Eiji Shimada * / Thomas Kuther

MOSFETs für kritische Automotive-Anwendungen: Ein neuartiges Kupferklemmenkonzept und Verbesserungen auf Wafer-Ebene sorgen für niedrige RDS(on)-Werte und höhere Leistungen.
MOSFETs für kritische Automotive-Anwendungen: Ein neuartiges Kupferklemmenkonzept und Verbesserungen auf Wafer-Ebene sorgen für niedrige RDS(on)-Werte und höhere Leistungen. (Bild: Toshiba)

MOSFET-basierte elektronische Systeme sind unabdingbar, wenn es darum geht, Systemverluste zu reduzieren. Wir verraten Ihnen, worauf es bei der Auswahl eines Automotive-Leistungs-MOSFETs ankommt.

Da immer mehr Elektronik in modernen Autos verbaut wird und die Entwicklung zum fahrerlosen Fahrzeug mit Riesenschritten voranschreitet, spielen elektronische Systeme eine deutlich wichtigere Rolle als früher. MOSFET-basierte elektronische Systeme sind unabdingbar, wenn es darum geht, Verlustleistungen im System zu reduzieren. Sie bieten verbesserte Kraftstoffeinsparung und senken die Emissionen bei herkömmlichen Fahrzeugen. Und weil das Thema E-Mobilität immer mehr Fahrt aufnimmt, sind Effizienzverbesserungen nötig, um längere Fahrstrecken zwischen den Aufladevorgängen für Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge zu erreichen. Die Konsequenz dieser Entwicklung: MOSFETs müssen eine höhere Leistungsdichte und verbessertes Wärmeverhalten bieten. Denn nur so erreichen Designer ihre gewünschte Zielfunktionalität, Zuverlässigkeit und Robustheit auf begrenztem Raum.

Dieser Beitrag wirft einen genauen Blick auf die Entwicklung der Automotive-Leistungs-MOSFETs der Klasse DPAK und D2PAK und zeigt, wie die neuesten Fortschritte in der Gehäusetechnik und bei den Prozessen den heutigen anspruchsvollen Automotive-Anwendungen gerecht werden.

Einsatzfall und Position im Fahrzeug als wichtige Faktoren

Die Anforderungen an MOSFETs variieren je nach Einsatzfall und Position im Fahrzeug. Diese Faktoren bestimmen, wie robust sie sein müssen und welches Wärmeverhalten erforderlich ist. Führende Halbleiterhersteller stellen Designern Produktreihen zur Verfügung, die durch eine Vielzahl an Gehäusetypen mehrere Optionen hinsichtlich elektrischer Leistung und Wärmeverhalten bieten. Um im anspruchsvollen Automotive-Bereich bestehen zu können, müssen diese MOSFETs gemäß entsprechender Automotive-Standards wie AEC-Q101 qualifiziert sein.

Da immer mehr Funktionen in den Fahrzeugen elektrisch realisiert werden, steigt die Zahl der in Fahrzeugen verbauten Leistungsgeräte proportional an. Die Bordnetzspannung erhöht sich von 12 V über 24 V bis 48 V, was die Nachfrage nach 100-V-MOSFETs ankurbelt.

Und schließlich sind die Umgebungstemperaturen bei dem zunehmend verdichteten Platzangebot in modernen Fahrzeugen höher als bei Anwendungen aus dem Consumer-, Computing- oder sogar Industrie-Bereich. Damit stehen die Systemdesigner vor einer enormen Herausforderung, denn der Spielraum für Temperaturanstiege im Gerät ist geringer.

Herausforderungen: elektrische Leistung und Wärmeverhalten

Halbleiterherstellern eröffnen sich zwei Hauptwege, diesen Herausforderungen zu begegnen: elektrische Leistung und Wärmeverhalten. Aus der Perspektive der Elektrik betrachtet, verbessert sich die Halbleiterleistung kontinuierlich zusammen mit der zugehörigen Wafer-Technologie, um Widerstände und Kapazitäten im Endprodukt zu verringern. Diese Verbesserungen bringen größere Effizienzen mit sich und erlauben schnellere Schaltungen.

Parallel dazu wird größerer Entwicklungsaufwand in die Gehäuse-Technologie gesteckt. Die Anforderung, die Größe der ECUs (Electronic Control Units, d.h. elektronische Steuereinheiten) zu reduzieren, kann mit deutlich kleineren MOSFET-Gehäusen verwirklicht werden. Die Herausforderung dabei ist, dasselbe Niveau des Wärmeverhaltens in diesen kleineren Gehäusen zu erreichen. Unternehmen sind zunehmend auf der Suche nach innovativen Wegen, Wärme von der Halbleiterverbindung abzuleiten. Das ermöglicht größere thermische Effizienzen, die bei den eingeschränkten Platzverhältnissen in Hochleistungs-Systemen mit erhöhten Umgebungstemperaturen erforderlich sind.

Als Unternehmen, das seit vielen Jahren Leistungs-MOSFETs für Automotive-Anwendungen entwickelt, gehört Toshiba zu den Innovationsführern für die heutigen anspruchsvollen Fahrzeuganwendungen. Das Portfolio des Unternehmens mit Leistungs-MOSFETs für den Automotive-Einsatz umfasst auf der Trench-Gate-Technologie basierende n-Kanal- und p-Kanal-Geräte (wobei die letzteren besonders nützlich für Batterie-Verpolschutz sind). Die Trench-Prozesse von Toshiba bieten die beste Kombination aus Leitfähigkeit und Schaltleistung im Zielspannungsbereich.

Innovationen in der Gehäuse-Technologie

Die Gehäuse-Technologie hat bei Hochleistungsanwendungen im Automotive-Bereich einen riesigen Einfluss auf die Zuverlässigkeit sowie die Stromtragfähigkeit. In herkömmlichen Gehäusen für Leistungs-MOSFETs begrenzen die Bonddrähte vom Chip zum Leadframe die Stromtragfähigkeit und sind eine häufige Ausfallursache. Um diese Beschränkung zu überwinden, hat Toshiba eine komplett andersartige Bonding-Technologie entwickelt.

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