Diversifizierung von MOSFET-Technologien Welcher MOSFET für welche Anwendung geeignet ist

Automotiv, DC/DC-Systeme, Schaltnetzteile – drei Anwendungsbeispiele für MOSFETs mit jeweils ganz eigenen Anforderungen. Worauf bei der Diversifizierung der Bausteine zu achten ist, zeigt dieser Beitrag.

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Früher war die Sache ganz einfach: Wenn eine Anwendung einen schnellen Schalter erforderte, mehr als 20kHz, dann musste es ein MOSFET sein. Gleiches galt für geringe Ströme. Die Alternativen waren Bipolar-Transistoren oder IGBTs, beide nicht wirklich schnell schaltend, weniger robust und ohne Body-Diode, aber dafür günstiger. MOSFETs schalten schnell (was nicht immer ein Vorteil ist), sind robust, haben eine Body-Diode und die Leitungsverluste hängen vom Strom als auch vom Einschaltwiderstand ab, während das bipolare Gegenstück eine mehr oder weniger feste Sättigungsspannung aufweist; wodurch hier die Verluste höher ausfallen.

Mittlerweile sind viele verschiedene MOSFET-Technologiegenerationen auf den Markt gekommen, und die Performance hat sich über die Jahre erheblich verbessert. Was in den 70-er und 80-er Jahren begann, hat sich laut IMS Research („The global market for power semiconductors“ 2009) im Jahr 2008 zu einem Markt von über 5 Mrd. US-$ weltweit entwickelt – ein gewaltiges Wachstum. Gleichzeitig hat sich das Anwendungsspektrum für MOSFETs erheblich erweitert. Eines haben jedoch fast alle Anwendungen gemeinsam: Die MOSFETs werden geschaltet und nicht im linearen Bereich betrieben. Konsequenterweise wurde die technologische Entwicklung in diese Richtung vorangetrieben.

Superjunction-MOSFETs haben sehr geringe Verluste

Im Bereich über 200 V Sperrspannung beginnt sich derzeit eine Zweiteilung des Marktes abzuzeichnen: Auf der einen Seite gibt es vertikale MOSFETs, die vor allem unter Kostengesichtspunkten optimiert werden, wobei die Schaltperformance und Verluste nicht ganz so gut ausfallen. Anwendungsbereiche sind daher auch eher in Anwendungen mit hohen Volumina zu finden, zum Beispiel in Lampenvorschaltgeräten. Auf der anderen Seite gibt es die Superjunction-MOSFETs, deren Performance über die letzten Jahre hinweg stetig verbessert wurde. Ein Beispiel ist der FCA76N60N von Fairchild Semiconductor, ein 600-V-MOSFET mit einem Einschaltwiderstand von nur 35 mOhm (typ. bei 25 °C). Bild 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Zelle eines solchen Transistors.

Damit lassen sich sehr geringe Verluste erzielen, vorausgesetzt man kann diesen Transistor auch geeignet einsetzen. Diese Transistoren schalten extrem schnell, was unerwünschte Störspannungen in der Schaltung hervorrufen kann und unter Umständen zur Zerstörung des Transistors führt. Aber auch ohne Zerstörung ist der Einfluss der Schaltgeschwindigkeit auf das EMI-Verhalten der Schaltung erheblich, weswegen es sehr wichtig ist, den Gate-Ansteuerkreis sehr sorgfältig auszulegen.

Bei Fairchild Semiconductor wurde hierfür eine Familie von passenden Gate-Treibern entwickelt, die in Verbindung mit technischen Erläuterungen und Applikationshinweisen helfen, dieses Problem in den Griff zu bekommen und die gewaltige Performance auch handhabbar zu machen.

Applikationen bestimmen die Entwicklungsrichtung

Auch im Spannungsbereich unter 200 V hat der technologische Fortschritt nicht Halt gemacht. In den verschiedenen Spannungsklassen war allerdings, getrieben von dem Bedarf unterschiedlicher Anwendungen, die Entwicklung unterschiedlich schnell: So haben sich etwa die 30-V-MOSFETs sehr schnell zu niedrigen Einschaltwiderständen und Schaltverlusten hin entwickelt, getrieben von der Computer-Industrie. Ein Beispiel dafür ist der FDMS7650 von Fairchild Semiconductor – der erste 30-V-MOSFET auf dem Markt in einem Power56-Gehäuse mit weniger als einem Ohm Einschaltwiderstand.

Die höheren Spannungsklassen haben zwar von der technologischen Entwicklung der 30-V-MOSFETs profitiert, insgesamt ist die Entwicklung aber etwas gemächlicher vonstatten gegangen, was für die industriellen Anwendungen aber meist kein Nachteil war. Allerdings entwickeln sich auch hier zwei Strömungen, wobei für gewisse Anwendungen – wie verteilte DC/DC-Systeme – die hohe Schaltgeschwindigkeit und Performance im Vordergrund steht, während etwa bei Automotive-Anwendungen eine kontrollierte, langsamere Schaltgeschwindigkeit gewünscht wird, um Störstrahlungen zu minimieren.

Jede Technologie kostet mehrere Millionen Dollar

Für Anwendungen, in denen nur langsam oder selten geschaltet wird (zum Beispiel Ein/Aus-Schalter) steht vor allem ein niedriger Widerstand im Vordergrund. All diese Ziele technologisch abzubilden ist jeder sehr kostenintensiv – die Entwicklung einer MOSFET-Technologie kostet je nach vorhandenen Vorarbeiten mehrere Millionen Dollar und kann auch mal zwei bis drei Jahre dauern. Hier ist vor allem die Nähe zur Fertigung wichtig, damit der Prozess gleichermaßen auf Anwendung und Fertigungs-Equipment abgestimmt werden kann.

Für MOSFETs im Spannungsbereich unter 200 V spielt das Gehäuse eine wesentlich wichtigere Rolle, weil im Verhältnis gesehen die zu beherrschenden Ströme viel höher sind. Daher sind Gehäuse mit vielen Pins und Clip-Bonding notwendig (Bild 2). Der (dunkelblaue) Clip weist einen sehr großen Querschnitt auf (was den Widerstand reduziert) und erlaubt eine gleichmäßigere Stromverteilung sowie zusätzliche Wärmeabfuhr von der Oberseite des Chips (hellblau).

Anwendungsbeispiel Schaltnetzteil

Ein Muster-Beispiel für den Einsatz verschiedener MOSFET-Technologien ist das Schaltnetzteil (Bild 3). Der erste Block nach dem Eingangsgleichrichter ist die PFC-Schaltung, ein Aufwärtswandler. Hier werden schnelle 600-V-MOSFETs verwendet, um die Schaltverluste gering zu halten. Im zweiten Block, der eigentlichen Wandlerstufe, hängt die MOSFET-Auswahl stark von der gewählten Topologie und Betriebsart ab. Während resonante oder quasi-resonante Wandler (so zum Beispiel LLC-Wandler) etwas geringere Anforderungen an die MOSFETs stellen, sind hart schaltende Topologien, wie zum Beispiel Vollbrücken auf schnell schaltende, robuste MOSFETs angewiesen. Der übliche Spannungsbereich ist hier 500 bis 600 V.

Auf der Sekundärseite werden MOSFETs als Ersatz für Gleichrichterdioden verwendet, um die Verluste zu verringern und höhere Leistungsdichten zu ermöglichen. Hier hängt die verwendete Sperrspannung von der gewünschten Ausgangsspannung ab, etwa 150-V-MOSFETs für 24 V Ausgangsspannung mit hoher Robustheit, um einen Defekt bei Spannungsspitzen sicher zu vermeiden. Gibt es dann noch einen sekundären DC/DC-Wandler, um weitere Spannungen abzuleiten, werden schnell schaltende MOSFETs zur Maximierung des Wirkungsgrades verwendet. In manchen Anwendungen werden mehrere Stromversorgungen redundant zusammengeschaltet, hierfür kommen MOSFETs mit niedrigst-möglichem Einschaltwiderstand zum Einsatz; die Schaltgeschwindigkeit spielt hier keine Rolle.

*Alfred Hesener ist Director Marketing & Applications Europe bei Fairchild, Fürstenfeldbruck.

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