Power-MOSFET In Schwerlastapplikationen effizienter schalten

Autor / Redakteur: Jifeng Qin * / Gerd Kucera

Einen nochmals reduzierten On-Widerstand auf 1,0 mΩ typ. und 9,7 °C geringere Junction-Temperatur im Vergleich zum MOSFET-Vorgänger charakterisieren die 40-V-MOSFET-Bausteine der COOLiRFET-Plattform.

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Bild 1: Die typischen Verbraucher, die ihre elektrische Energie unmittelbar aus dem 12-V-Batteriesystem beziehen.
Bild 1: Die typischen Verbraucher, die ihre elektrische Energie unmittelbar aus dem 12-V-Batteriesystem beziehen.
(Bild: IRF)

Weltweit werden rund 80 Mio. konventionelle Kraftfahrzeuge hergestellt. Ihre 12-V-Batterie spielt nach wie vor eine wichtige Rolle im herkömmlichen System des Verbrennungsmotors. Alternative Fahrzeugtechnik wie Hybrid-, Plug-in- und Elektromobile benötigen deutlich höhere Batteriespannungen. So bleibt die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrad in den althergebrachten 12-V-Systemen von Bedeutung. Bild 1 fasst die typischen Anwendungen zusammen, die ihre Energie unmittelbar aus dem 12-V-Batteriesystem beziehen. Aktuell arbeiten Systemingenieure hart daran, die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern sowie den Treibstoffverbrauch mit minimalen Zusatzkosten zu senken.

MOSFETS als stabilisierende Batterieschalter

Ein Beispiel für diese Bemühungen ist die Start-Stopp-Technik, die hauptsächlich im europäischen Kraftfahrzeugmarkt anzutreffen ist und steigende Akzeptanz in Nordamerika erfährt. Diese Technik schaltet den herkömmlichen Verbrennungsmotor ab, sobald das Fahrzeug vollkommen zum Stillstand kommt, und es führt einen sofortigen Neustart des Motors durch, wann immer der Antrieb benötigt wird.

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Dazu wird ein Stabilisator für die 12-V-Batteriespannung benötigt, der gewährleistet, dass die Elektronikschaltungen nicht einem vorübergehenden Spannungseinbruch während des Startvorgangs der Batterie ausgesetzt werden.

Ein doppeltes Batteriesystem mit einem dazwischen liegenden Batterieschalter ist eine gute Lösung; dabei liefert die zusätzliche Hilfsbatterie während des Startens die Leistung. In einer Start-Stopp-Applikation mit dualer Batterie ist entscheidend, wie die Stromspitzen mit mehreren hundert Ampere, welche durch den Batterieschalter fließen, verarbeitet werden. Üblicherweise kommen dazu mehrere parallel geschaltete Leistungs-MOSFETs mit niedrigem RDS(on) zum Einsatz.

Power-MOSFETS in EPS-Systemen

Eine weitere Senkung des Kraftstoffverbrauchs, auf die sich die Automobilhersteller konzentrieren, ist die Servolenkung (EPS, Electric Power Steering). Im Gegensatz zu dem bisherigen hydraulischen Lenksystem, das durch den Verbrennungsmotor betrieben wird und so während 100% der Zeit Treibstoff verbraucht, verwendet das EPS-System einen Elektromotor zur Leistungsunterstützung, sobald diese erforderlich ist. Die Leistung wird also nur dann verbraucht, wenn der Fahrer das Lenkrad dreht. Insgesamt ließ sich damit ohne Weiteres eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 5% erzielen.

Bild 2 zeigt die Blockstruktur eines EPS-Systems. Der Schlüssel zur Verbesserung der Systemeffizienz liegt darin, die Verluste der Leistungsbausteine zu verringern, besonders die der sechs Leistungs-MOSFETs, die in Dreiphasen-Wechselrichterkonfigurationen eingesetzt werden. Unter Umständen benötigen einige hochentwickelte EPS-Systeme pro Phase einen weiteren MOSFET mit niedrigem RDS(on) als Sicherheitsschalter sowie bis zu zwei zusätzliche MOSFETs, die zum Schutz gegen eine Verpolung der Batterie dienen.

Bei beiden Anwendungsfällen müssen die Systemingenieure in der Entwicklung typischerweise einen Kompromiss zwischen Wärmemanagement, Leistungsdichte, Systemwirkungsgrad und Kosten schließen. Da die meisten Leistungsverluste auf Leistungs-MOSFETs zurückzuführen sind, werden MOSFETs mit niedrigem RDS(on) sowie einer hohen Strombelastbarkeit gewählt, um den Leitungsverlust zu minimieren. Andererseits müssen Elektroniksysteme, die mit der 12-V-Batterie verbunden sind, die Situation der Überlastspannung „überleben“, wenn die Batterie vom Generator des Fahrzeugs getrennt wird. Aus diesem Grund liegt die Durchbruchsspannung des Haupt-MOSFETs bei mindestens 40 V.

Die erst vor kurzem vorgestellte neue automobiltaugliche 40-V-COOLiRFET-MOSFET-Plattform von International Rectifier erweist sich als geeignete Lösung für diese Schwerlast-Applikationen der 12-V-Batterie. Durch die Verwendung der jüngsten Trench-MOSFET-Technologie setzt diese MOSFET-Plattform neue Maßstäbe beim RDS(on). Es gibt die Bausteine in sechs verschiedenen Gehäusen.

Um die Verbesserungen der COOLiRFET-Plattform zu belegen, durchliefen die Halbleiter Applikationstests, beispielsweise im EPS-System. Bild 3 zeigt das Design der EPS-Evaluierungsplatine (rechts) sowie das Testbench-Blockschaltbild. Sechs MOSFETs werden als drei Phasen konfiguriert und durch einen Dreiphasen-Treiber-IC AUIRS20302S angesteuert. Die Systemschaltfrequenz wird auf 24 kHz eingestellt, mit einem Widerstand belastet sowie mit einer Zwangsbelüftung von 300 cfm (510 m³/h) versehen. Zwei verschiedene MOSFET-Bausteine, der neue COOLiRFET und sein Vorgängermodell, sind auf getrennten Evaluierungsplatinen montiert und unter exakt gleichen Testbedingungen geprüft worden. Um einen präzisen Performance-Vergleich zu erhalten, wurde der Phase-W-Low-Side-MOSFET auf jeder Platine entkoppelt und die Sperrschichttemperatur verglichen.

Die beiden MOSFET-Bausteine des Test haben die Typenbezeichnung AUIRF2804S-7P, ein 40-V-Trench-FET der Vorgängergeneration, und AUIRFS8407-7P, der COOLiRFET-Typ mit der neuen Trench-Technologie. Die Tabelle links zeigt für den AUIRFS8407-7P einen niedrigen RDS(on), ein niedrigeres Qg sowie ein besseres Qrr. Den Temperaturanstieg der Sperrschicht zeigt Bild 4, der unter der Bedingung ermittelt wurde, dass 75 Aeff durch jede Phase fließt. Nach dem Wärmeausgleich ist die MOSFET-Sperrschichttemperatur des Bausteins AUIRFS8407-7P um beinahe 10 °C niedriger als die des Halbleiters AUIRF2804S-7P der Vorgängergeneration.

* Jifeng Qin ist Product Manager Geschäftsbereich Automotive Products bei International Rectifier, El Segundo/USA.

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