Die besten MOSFETs für kritische Automotive-Anwendungen

Autor / Redakteur: Georges Tchouangue, Eiji Shimada * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

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.

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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)

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.

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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.

Kupferanschlüsse in großen Gehäusen

Toshiba hat unter den Leistungs-MOSFET-Anbietern für den Automotive-Bereich ein Alleinstellungsmerkmal, da es Kupferanschlüsse (Kupferklemmen) in großen Gehäusen für Leistungs-MOSFETs wie DPAK und D2PAK verwendet. Andere Anbieter sind bei den herkömmlichen Bonddrähten aus Aluminium geblieben.

Toshiba hat bereits 2008 ein TO-220SM(W)-Gehäuse auf den Markt gebracht, das auf Kupferverbindungen basiert. Dabei handelt es sich um das ursprüngliche SMD-Gehäuse mit 10 mm x 13 mm für Leistungs-MOSFETs im Automotive-Bereich. Toshiba führte 2011 und 2015 Kupferverbindungen für DPAK (TO-252) und D2PAK (TO-263) im Automotive-Bereich auf dem Markt ein, wobei diese fortschrittlichen Gehäuse den Namen DPAK+ und D2PAK+ erhielten, um sie von Bonddraht-Gehäusen zu unterscheiden (Bild 1).

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Die Kupferklemmen haben mehrere Vorteile, insbesondere in Automotive-Anwendungen. Zunächst einmal wird die Kontaktfläche zwischen dem Source Pad und der Kupferklemme an der Source deutlich erhöht, was zu weniger planarem Strom in der Metallschicht des Source Pads führt. Darüber hinaus ist die Leitfähigkeit bei Kupfer sowohl in Bezug auf Elektrik als auch auf Wärme gesehen viel besser als bei Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 401 W/(m·K) bei Kupfer, während sie bei Aluminium nur 237 W/(m·K) beträgt. Die elektrische Resistivität (bei 20 °C) liegt bei 16,8 nΩ·m für Kupfer und 28,2 nΩ·m für Aluminium. Erhöhte Wärmeleitfähigkeit heißt, dass Wärme schneller vom Anschlussteil des Gehäuses abgeleitet wird, und die niedrigere Resistivität leistet einen Beitrag zur Verringerung des Gehäusewiderstands, wodurch die Wärmeerzeugung reduziert wird.

Das SMD-Gehäuse TO-220SM(W) mit 10 mm x 13 mm für Leistungs-MOSFETs ist vergleichbar mit einem 10-mm-x-15-mm-D2PAK (TO-263). Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass das TO-220SM(W) einen erheblich kürzeren Source-Anschluss aufweist, der dreimal breiter ist als bei einem normalen D2PAK-Gehäuse (Bilder 2 und 3).

Vergleich von MOSFET-Durchlasswiderständen

Aufgrund der veränderten Maße des Source-Anschlusses wird der Gehäusewiderstand um etwa 0,15 mΩ verringert. Wenn wir den TK1R4F04PB 40V, 1,35 mΩ (max) MOSFET im TO-220SM(W)-Gehäuse mit dem TK1R5R04PB 40 V, 1,5 mΩ (max.) MOSFET im D2PAK+ Gehäuse vergleichen, zeigt sich die Verbesserung besonders deutlich. Während beide Produkte auf dem gleichen Chip basieren, ist der Durchlasswiderstand (RDS(ON)) des TK1R4F04PB 0,15 mΩ niedriger als beim TK1R5R04PB. Als Verbesserung mag 0,15 mΩ klein scheinen, sie ist aber bei RDS(ON)-Werten mit nur wenigen Milliohm in der Tat beträchtlich. Der TK74F04PB ist ein 40-V-MOSFET in einem TO-220SM(W)-Gehäuse mit einem RDS(ON) von nur 0,74 mΩ (max). Dieser extrem niedrige Wert kann nur durch die Kombination der Kupferklemmen-Technologie von Toshiba mit der TO-220SW(W)-Gehäusetechnologie und einem hochentwickelten Wafer-Prozess erreicht werden.

Für viele Anwendungen ist RDS(ON) der wichtigste Parameter, das gilt auch für den Automotive-Bereich. 12-V-Batteriesysteme nutzen häufig 40-V-MOSFETs. DPAK ist ein Standard-MOSFET-Gehäuse und die Benutzer können einfach RDS(ON)-Werte unterschiedlicher Anbieter vergleichen.

Der TK1R4S04PB ist ein 40-V-1,35-mΩ-(max.)-Automotive-MOSFET in einem DPAK+-Gehäuse (Bild 4). Einer Untersuchung von Toshiba im Dezember 2016 zufolge hat er den niedrigsten Wert aller derzeit erhältlichen Automotive-40-V-DPAK-MOSFETs auf dem Markt. Der zweitbeste Wert lag bei 1,7 mΩ (max.) bei einem MOSFET eines anderen Anbieters.

100-V-MOSFETs für 48-V-Batteriesysteme

Da 48-V-Batteriesysteme zukünftig voraussichtlich auf dem Vormarsch sein werden, werden 100-V-MOSFETs für Designer zunehmend wichtig. Der TK55S10N1 ist ein 100-V-/6,5-mΩ-(max.)-MOSFET im DPAK+ Gehäuse von Toshiba. Gemäß der Untersuchung von Toshiba (Dezember 2016) ist dies der niedrigste RDS(ON)-Wert auf dem Markt für 100-V-DPAK Automotive-MOSFETs. Toshiba plant die Einführung eines 100-V/6,1-mΩ-(max.)-MOSFET in einem DPAK+-Gehäuse.

Parallelbetrieb der MOSFETs erfordert sorgfältiges Design

In einem typischen 48-V-Batteriesystem liegt die Motorleistung allgemein im Bereich 1 bis 10 kW. Um einen 5-kW-Motor antreiben zu können, müssen MOSFETs normalerweise parallel geschaltet werden, um die erforderlichen hohen Ströme zu erreichen. Der Parallelbetrieb von MOSFETs ist also nicht neu, erfordert jedoch sorgfältiges Design, insbesondere im Hinblick auf Timing-Unterschiede zwischen den MOSFETs beim Schalten. Große Timing-Unterschiede führen zu deutlichen Ungleichgewichten beim Schaltverlust, die nicht erwünscht sind. Wenn ein MOSFET früher ein- oder später abschaltet als die anderen MOSFETs im Parallelbetrieb, konzentrieren sich die Schaltverluste auf diesen einen MOSFET.

Um Abhilfe zu schaffen, hat Toshiba den TK160F10N1L auf den Markt gebracht, einen neuen 100-V-/160-A-Leistungs-MOSFET mit einem strengeren Schwellenspannungsbereich (Vth) als bei vorherigen Bausteinen. Durch den Vth-Bereich von min 2,5 V/max. 3,5 V im Vergleich zu min 2 V/max. 4 V des Vorgängers ist der TK160F10N1L für Schaltanwendungen mit parallel geschalteten MOSFETs in der Automotive-Leistungselektronik ideal geeignet, da der engere Vth-Bereich Schaltverluste gleichmäßiger unter ihnen verteilt.

MOSFETs mit verbesserten dynamischen Eigenschaften

Beim Schalten sind elektromagnetische Störungen (EMI) ein weiterer wichtiger Bereich, dem Aufmerksamkeit zu widmen ist. Bild 5 zeigt zwei Testergebnis-Diagramme von MOSFETs beim Abschalten, die zeigen, dass die Schwingungszeit des TK100S04N1L, der auf dem UMOS8-Halbleiterprozess basiert, nur halb so lang ist wie beim TK80S04K3L, der von einem älteren UMOS4-Prozess ist. Die verbesserten dynamischen Eigenschaften von UMOS8 führen zu erheblich weniger Rauschen (Schwingungen).

Nutzung von p-Kanal-MOSFETs

Toshiba verfügt über ein umfassendes Portfolio an p-Kanal MOSFETs, die oft für Batterie-Verpolschutz oder als High-Side-Schalter von Halb-/H-/B6-Brückenschaltungen eingesetzt werden. Da keine Ladepumpe, die eine Störquelle darstellen kann, für den Betrieb eines p-Kanal MOSFETs benötigt wird, ist die Gate-Treiber-Schaltung technich einfach zu realisieren und bietet einen recht guten Systemkostenvorteil.

Zusammenfassung

MOSFETs sind kritische Komponenten in modernen Automotive-Designs, da sie in hochentwickelten Fahrzeugen bei vielen Anwendungen der Leistungselektronik zum Einsatz kommen. Ihre zunehmende Wichtigkeit lässt auch die Ansprüche der Designer steigen, die mit verschärften Automotive-Anforderungen konfrontiert sind.

Glücklicherweise gehören zu den jüngsten Innovationen von Toshiba auch das neuartige Kupferklemmenkonzept und Verbesserungen auf Wafer-Ebene. Diese sorgen weiterhin für marktführende RDS(ON)-Werte und ermöglichen so höhere Leistungen, die Designer heute benötigen.

* Georges Tchouangue ist Chief Engineer Discrete Marketing,

* Eiji Shimada ist Senior Manager Automotive Business Unit, beide bei Toshiba Electronics Europe.

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