Die besten MOSFETs für kritische Automotive-Anwendungen

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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 (R_DS(ON)) des TK1R4F04PB 0,15 mΩ niedriger als beim TK1R5R04PB. Als Verbesserung mag 0,15 mΩ klein scheinen, sie ist aber bei R_DS(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 R_DS(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 R_DS(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 R_DS(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 R_DS(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 (V_th) als bei vorherigen Bausteinen. Durch den V_th-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 V_th-Bereich Schaltverluste gleichmäßiger unter ihnen verteilt.

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