Gehäuse mit geringen thermischen Widerständen an der Oberseite ermöglichen neue Kühlungskonzepte

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Zwei parasitäre Effekte durch Gehäuse-Induktivität

Die Gehäuse-Induktivität hat zwei parasitäre Effekte zur Folge. Der erste besteht im Einfluss der Source-Induktivität des Gehäuses auf das Gate-Feedback, das wiederum die Schaltgeschwindigkeit des MOSFETs und damit dessen Effizienz beeinflusst. Der zweite Aspekt ist der Anteil der Gehäuse-Induktivität (Drain und Source) an der Loop-Induktivität, welche wiederum zu V_DS-Überspannungen beim Ausschalten des MOSFETs führt.

Das Feedback zum Treiber wird durch die Source-Induktivität und die zeitliche Änderung des Last-Stroms verursacht, was zu einer induzierten Spannung (L_source x di/dt) führt. Diese induzierte Spannung verursacht eine geringere oder höhere echte Gate-Source-Spannung V_GS, die wiederum die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET reduziert und damit die Schaltverluste erhöht bzw. die Effizienz verringert.

Für geringe V_DS-Spitzen muss die Loop-Induktivität minimiert werden, indem man eine kleine Power-Loop realisiert, mit Hilfe von Gehäusen mit geringerer Induktivität. Typische Loop-Induktivitäten für gute Designs eines Buck-Converters liegen im Bereich von 2 nH. Moderne Designs können diesen Wert auf 1 nH oder darunter reduzieren.

Die Source-Induktiviät von DPAK-, SuperSO8- und CanPAK-Gehäusen wurde mit Hilfe der Simulations-Software Ansoft Q3D simuliert (Bild 3). CanPAK nutzt dabei eine Source-Down-Konstruktion im Unterschied zu der Drain-Down-Konstruktion von SuperSO8 und DPAK. Diese Source-Down-Konfiguration führt zu sehr geringen Source-Induktivitäten von weniger als 0,01 nH (ohne Layout-Anteil). Für das SuperSO8 beträgt der Wert 0,9 nH und für das DPAK sogar etwa 5 nH. Hier sollte man anmerken, dass die Simulations-Software virtuell eine Stromschleife für die Berechnung erstellt. Daher sollten die berechneten Werte für die einzelnen Gehäuse nur als Richtwerte genutzt werden. Eine genauere Betrachtung erfordert ein Modell der Leiterplatte mit den MOSFETs und den passiven Komponenten.

Um zu zeigen, welchen großen Einfluss die Source-Down-Konfiguration auf die Schaltgeschwindigkeit und Effizienz hat, wurden Messungen durchgeführt, wobei der Treiber direkt mit dem Source-Clip des SuperSO8 verbunden war. Durch die direkte Verbindung mit dem Source-Clip schaltet der MOSFET schneller und effizienter. Diese Verbesserung wird noch deutlicher mit höherem Ausgangsstrom und höherer Schaltfrequenz. Bei 500 kHz und 35 A sind es immerhin 1,4% (Bild 3). Diese Messergebnisse zeigen deutlich, dass die Source-Down-Assemblierung wie in den CanPAK-Gehäusen Vorteile in Bezug auf die Effizienz bietet.

Die Gehäuse und ihre Kühlkonmethoden

Für eine leistungsfähige Kühlung sind Durchsteck(THD)-Gehäuse am besten geeignet. Diese Gehäuse werden direkt mit ihren großen Metallflächen und einem thermischen Interface-Material mit dem Kühlkörper verbunden. Die große exponierte Metallfläche fungiert dabei als sehr effizienter Wärmeverteiler. Nachteile sind die parasitären Effekte des Gehäuses und die Gehäusegröße.

SMD-Gehäuse werden hauptsächlich über die Leiterplatte gekühlt und können daher nicht so große Leistungen abführen. Kühlungskonzepte für höhere Leistungen arbeiten mit Kühlkörpern unter der Leiterplatte und/oder auf der Gehäuse-Oberseite. Um die Kühlung über die Gehäuse-Oberseite zu verbessern, ist ein möglichst geringer thermischer Widerstand auf der Gehäuse-Oberseite wünschenswert.

Mit einer einfachen Berechnung kann die Leistungsfähigkeit verschiedener Gehäuse ermittelt werden. Dafür benötigt man den thermischen Widerstand zur Gehäuse-Unterseite R_{thjc_bottom} (zur Leiterplatte) und den thermischen Widerstand zur Gehäuse-Oberseite R_{thjc_top} (zum Kühlkörper). Der R_{thjc_bottom} ist als thermischer Standard-Widerstand in den Datenblättern ausgewiesen, während R_{thjc_top} nur für wenige Gehäuse spezifiziert ist.

Ist ein Kühlkörper angebracht, dann muss auch das thermische Interface-Material (TIM, in K/W) berücksichtigt werden. R_{th_TIM} kann folgendermaßen berechnet werden: R_{th_TIM} = t/(λ x A) mit t = Dicke des Interface-Materials in m und λ = thermische Induktivität des Interface-Materials in W/(m x K) sowie A = Kontaktfläche in m².

Die Verlustenergie wird über die Leiterplatte und über die Oberfläche des Gehäuses zum Kühlkörper abgeführt. Vom Kühlkörper geht die Wärme per Konvektion an die umgebende Luft. Für die Berechnung kann der Wärmeleitwiderstand des Kühlkörpers vernachlässigt werden, da sein Beitrag zum gesamten Widerstand im Vergleich zum konvektiven Widerstand sehr klein ist. Der konvektive Widerstand (in K/W) ist wie folgt berechenbar: R_{th_heatsink} = 1/(α x A) mit α = Konvektionskoeffizient in W/(m x K) und A = Oberfläche des Kühlkörpers im m².

Typische Werte für den Konvektionskoeffizienten sind 10 W/(m²K) für ruhende Luft und 20 bis 50 W/(m²K) bei erzwungener Konvektion.

CanPAK mit seiner Metall-Can-Konstruktion bietet einen sehr geringen thermischen Widerstand an der Oberseite des Gehäuses (CanPAK R_{thjc_top} ~ 1,5 K/W), während vergossene Gehäuse höherer Werte aufweisen (DPAK R_{thjc_top} ~ 55 K/W, Super SO8 R_{thjc_top} ~ 18 K/W). Daher ist CanPAK sehr gut für neue Kühlungssysteme geeignet. Nutzt man nur die Oberseite für die Kühlung, dann beträgt die Verbesserung von CanPAK gegenüber DPAK 44%. Das bedeutet für eine angenommene Temperaturdifferenz zwischen T_junction und T_ambient von 70 °C eine Leistungsdifferenz von 0,45 W (1 W gegenüber 0,55 W, Tabelle 1 und Bild 4).

Bei einem doppelseitigen Kühlungskonzept (also Kühlung zur Leiterplatte und dem Kühlkörper) liegt die Verbesserung bei etwa 20%. Der Vergleich zwischen SuperSO8 und CanPAK ergibt einen um etwa 10% besseren thermischen Gesamtwiderstand R_thja. Dies wiederum resultiert bei einer Verlustleistung von 1,5 W in einer Chiptemperaturdifferenz von 4,5 °C (T_ambient = 40 °C, T_junction CanPAK = 92,5 °C, T_junction SuperSO8 = 97 °C).

Die gleiche Berechnung kann auch für die erzwungene Konvektion durchgeführt werden. Verändert werden muss dabei der Widerstand des Kühlköpers unter Berücksichtigung des Konvektionskoeffizienten für erzwungene Konvektion und der thermische Widerstand der Leiterplatte (R_{th_PCB} für 3 m/s ~ 35 K/W). Diese einfache Rechnung zeigt, wann es sinnvoll ist etwa von einem SuperSO8 zu einem CanPAK zu wechseln. Beispiele sind Anwendungen, in denen die Wärme von der Leiterplatte weggeführt werden soll oder wenn ein Metall-Gehäuse für die Kühlung (Top-Side-Kühlung) eingesetzt wird.

* * Wolfgang Peinhopf und Milko Paolucci ... arbeiten im Technical Marketing Low Voltage MOSFETs bei Infineon Technologies Austria AG, Villach.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Die Spezifikationen von CanPAK

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