Nächste U-MOS-Trench-Generation für Stromversorgungen

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Die Chip-Größe lässt sich um 47% verkleinern

Die neueste Entwicklung dieser Trench-Prozesstechnik ist die U-MOS-VIII-H-Struktur, die Toshiba für seine effizienten und schnellen LMOS-MOSFETs verwendet. Wie der Name schon andeutet, ist es Toshibas achte Generation von U-MOS-Trench-Bausteinen. Neueste Prozesstechnik sorgt dabei für einen weiter verringerten Wert für RDS_(on)*A. Im Vergleich zur vorherigen U-MOS-IV-Technologie, die 2008 eingeführt wurde, bietet U-MOS VIII-H nun einen RDS_(on), der bei gleicher Die-Fläche weniger als die Hälfte beträgt. Oder anders gesagt: die Chip-Größe lässt sich um 47% verkleinern, ohne dass sich dabei der Widerstand erhöht. U-MOS-VIII-H-Bausteine erfüllen damit die Forderungen nach einer höheren Leistungsdichte in modernen Stromversorgungen.

Bild 4 verdeutlicht, wie die neueste U-MOS-Trench-Struktur im Gegensatz zu früheren Generationen die Verluste bei schnellem Schalten verringert. Verglichen wird die Schalt-Gate-Ladung (Q_sw) mit dem verbesserten RDS_(on) für einen n-Kanal MOSFET mit 30 V Nennspannung. Da UMOS VIII-H die FOM RDS_(on)*C_iss im Vergleich zu U-MOS IV um 60% verringert, steigt auch der Wirkungsgrad bei niedriger Last. Bei hohen Lasten bleibt der gewohnt gute Wirkungsgrad erhalten. MOSFETs auf Basis der neuen Technologie bieten also höchste Leistungsfähigkeit über verschiedene Lastbedingungen (Bild 5).

Der neue Prozess trägt auch dazu bei, die Störstrahlung zu verringern. Ein niedriges Gate-Kapazitätsverhältnis (C_gd/C_gs) schützt zudem gegen Low-Side-Selbsteinschaltung. Dieses unerwünschte Phänomen tritt auf, wenn sich U_DSS schnell ändert und dabei die internen Kapazitäten auflädt. Die MOSFET-Spannung übersteigt dann die Einschalt-Schwellenspannung.

Der Gehäusetyp und das Kühlkonzept

Bei der Wahl eines Low-Power MOSFETs spielt auch das Gehäuse eine wichtige Rolle, abhängig davon, welches Kühlungskonzept angewendet werden soll. Für ein AC/DC-Netzteil eignet sich zum Beispiel ein bedrahtetes TO-220-Gehäuse für die aufrechte Montage am Kühlkörper. Immer häufiger findet sich das TO-220-SIS-Gehäuse, das den gleichen Formfaktor bietet, allerdings Fertigungsabläufe vereinfacht, da es voll isoliert ist und mit anderen Bauelementen auf dem Kühlkörper platziert werden kann. Falls die Wärmeabfuhr über die Platine erfolgen soll, ist das D²PAK-Gehäuse eine leistungsfähige SMD-Alternative.

Kompakte SMD-Gehäuse wie beispielsweise Toshibas SOP Advance (5 mm x 6 mm) und TSON Advance (3,3 mm x 3,3 mm) bieten neben geringem Platinen-Platzbedarf sehr niedrige Bauhöhen von unter 1 mm. Eine gute Wärmeabfuhr wird mittels flächigen Metall-Unterseiten erreicht. Diese Standardformate ermöglichen kleine DC/DC-Wandler, wie sie in LED-Stromversorgungen und anderen kompakten Anwendungen gefordert sind.

Die verfügbaren und zukünftigen Technologien

Toshibas aktuelles U-MOS-VIII-H-LMOS-Angebot umfasst Bausteine mit U_DSS-Nennspannungen von 30 bis 120 V und Durchlasswiderständen von 15 bis unter 1 mΩ. Die beliebtesten Lösungen, in der Klasse 100 V/100 A bilden die MOSFETs TK100E10N1 TO-220 oder D²PAK TK100G10N1 mit typischen RDS(ON)-Werten von 2,8 bzw 2,6 mΩ, deren C_iss-Werte bei 8800 pF und deren Q_g bei 140 nC (typisch) liegen. Die C_iss-Werte der kleineren Bausteine reichen hinab bis zu 690 pF für einen 30-V-Baustein im TSON-Advanced-SMD-Gehäuse. Insbesondere die MOSFETs der 30-V-Klasse sind per Logik-Level 4,5 V ansteuerbar. Die Standard-U-MOS-VIII-H-Familie wird im Laufe des Jahres 2013 auf Bausteine mit 150 bis 250 V Nennspannung erweitert.

* * Michael Piela ist Senior Product Marketing Engineer für das Power Semiconductors European Marketing & Engineering Department bei Toshiba Electronics.

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