Die Anforderungen an Leistungselektronik-Bauelemente steigen: Anwender und Gesetzgeber verlangen effiziente Lösungen. Das gilt besonders für stark wachsende Märkte wie Stromversorgungen, Motorsteuerungen, erneuerbare Energien und die Beleuchtungstechnik. Hier sind Leistungshalbleiter gefragt, die den Anforderungen nach bester Wirtschaftlichkeit genügen, sprich höchste Effizienz liefern unter statischen Betriebszuständen sowie im Betrieb bei immer höheren Schaltfrequenzen. Konventionelle Halbleiterstrukturen, zum Beispiel der planare Aufbau eines Leistungs-MOSFETs, stoßen hier häufig an ihre physikalischen Grenzen. Renesas hat daher eine neue Linie von Leistungs-MOSFETs mit sogenannter Super-Junction-Struktur entwickelt.

Die Vorteile der Super-Junction-Power-MOSFETs liegen sowohl im Bereich der statischen Eigenschaften, stellvertretender Parameter dafür ist der RDS(on) (Drain-Source-Widerstand im eingeschalteten Zustand), sowie bei den dynamischen Eigenschaften, stellvertretend dafür sind die Gate-Ladung QG oder QGD (Gate-Drain-Ladung). Diese Werte haben entscheidenden Einfluss auf die Verlustleistungen der MOSFETs.

Formeln zum Beitrag

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Grundlagen zu Leistungsverlusten

In einem Leistungs-MOSFET hat der Einschaltwiderstand RDS(on) den Haupteinfluss auf die statischen Verluste. Dieser ist in Formel 1 zu sehen. Im Schaltbetrieb kommen die Verluste der Body-Diode hinzu, um die Gesamtverluste zu berechnen. sie berechnen sich entsprechend Formel 2. Ein konkretes Beispiel, wie sich die Verluste in den drei Abschnitten Einschaltvorgang, Ein-Zustand und Ausschaltvorgang zusammensetzen, ist in Bild 1 zu sehen. Statt der exakten Betrachtung per Integral über einen kompletten Schaltzyklus lässt sich üblicherweise auch die Näherungsformel 3.

Bild 1: Die Gesamtverluste Ptotal bestehen aus den Turn-On-Verlusten Pt(on) (Einschaltvorgang, Zeitraum tw1), den statischen Verlusten Pon im eingeschalteten Zustand tw2 und den Turn-Off-Verlusten Pt(off) (Ausschaltvorgang, tw3).

Bild 1: Die Gesamtverluste Ptotal bestehen aus den Turn-On-Verlusten Pt(on) (Einschaltvorgang, Zeitraum tw1), den statischen Verlusten Pon im eingeschalteten Zustand tw2 und den Turn-Off-Verlusten Pt(off) (Ausschaltvorgang, tw3). Renesas

Die Leistungen in der Treiberstufe lassen sich ebenfalls als Verluste ansehen. Diese werden hauptsächlich von der Gate-Ladung QG beeinflusst. Die Verluste berechnen sich damit nach Formel 4. Aus diesen Formeln zeigt sich, dass die beiden Parameter RDS(on) und QG die Verluste beeinflussen. Der Begriff Figure of Merit (FOM) kombiniert beide Parameter durch Multiplikation. Dieser ergibt einen leicht zu vergleichenden Wert für die Effizienz (siehe Formel 5). Neben der Gate-Ladung QG ist auch die Gate-Drain-Ladung QGD im Gebrauch. Damit ergibt sich die leicht abgewandelte Formel 6.

Bei den neuen SJ-PMOSFETs betragen der Spannungsbereich 600 oder 650 V und der Strombereich 6,1 bis 55 A. Die erreichten Werte für den RDS(on) und die QG oder QGD ergeben einen FOM, der für energieeffiziente Schaltungsauslegungen die ideale Basis bildet. Im Bereich der statischen Verluste bietet diese Produktline laut Renesas deutliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Power-MOSFET-Strukturen. Bei Schaltfrequenzen über 50 kHz haben die SJ-PMOSETs deutlich geringere Gesamtverluste als IGBTs.

Bild 2: Bei den Super-Junction-Power-MOSFETs (rechts) von Renesas bilden durchgehende, P-dotierte Säulen im N-Material die Deep-Trench-Struktur. Bei anderen Lösungen (Mitte) bestehen sie aus vielen Einzelschichten.

Bild 2: Bei den Super-Junction-Power-MOSFETs (rechts) von Renesas bilden durchgehende, P-dotierte Säulen im N-Material die Deep-Trench-Struktur. Bei anderen Lösungen (Mitte) bestehen sie aus vielen Einzelschichten. Renesas

Fertigung

Üblicherweise sind Super-Junction-Power-MOSFETs auf einem N+-Substrat aufgebaut. Speziell geformte Schichten aus P-dotiertem Material bilden in einem niedrigdotierten N-Material die Säulenstruktur. In mehreren Schritten wird durch einen epitaxialen Aufbauprozess die Säulen-Gesamtschichtdicke des P-Materials errichtet um die erforderliche Spannungsfestigkeit zu erreichen. Diese Aufbauvariante zeigt die mittlere Darstellung in Bild 2. Dieser Herstellungsprozess hat aber Nachteile durch den relativ langsamen epitaxialen Aufbau der Säulen-Schichten zu Säulen und die Komplexität durch die vielfach zu wiederholenden Schritte.

Auf einen Blick

In vielen Applikationen sind die Leistungshalbleiter entscheidend für die Effizenz. Hier wiederum sind es der RDS(on) und der QG-Wert, aus denen sich die Verluste im statischen und dynamischen Betrieb errechnen. Der Beitrag geht von den mathematischen Grundlagen über den physikalischen Aufbau bis zu einem Applikationsbeispiel und den passenden Online-Tools zur Entwicklungsunterstützung.

Renesas hat eine eigene neue Methode entwickelt, um die Super-Junction-Struktur aufzubauen und die genannten Nachteile zu vermeiden: die Deep-Trench-Technologie. Der Deep-Trench-Herstellungsprozess bedingt, dass Gräben in das niedrig dotierte N-Material geätzt werden, um die P-Material-Bereiche zu bilden. Die Deep-Trench-Struktur ist im Bild 2 rechts zu sehen. Hoch präzise Maskenausrichtung und Dotierung in Verbindung mit einer Verkleinerung der P-Material-Säulen ermöglicht durch einen zuverlässigen Herstellprozess sehr niedrige RDS(on)-Werte sowie extrem niedrige interne Kapazitätswerte, die wiederum zu niedrigen QG/QGD-Werten führen. Damit erreicht der FOM Bestwerte.

Baustein

Bild 3: Eine besonders schnelle Fast-Recovery-Diode (blauer Bereich) verbessert die  Schaltcharakteristik gegenüber einer Standarddiode (gelb) und senkt damit die Verluste.

Bild 3: Eine besonders schnelle Fast-Recovery-Diode (blauer Bereich) verbessert die Schaltcharakteristik gegenüber einer Standarddiode (gelb) und senkt damit die Verluste. Renesas

Ein Stellvertreter der Produktfamilie ist der Baustein RJK60S5DPK. Mit Eckwerten von 600 V und 20 A erreicht er herausragende Werte bezüglich statischer Verluste und Schalteigenschaften. Der spezifische Widerstand pro Oberflächeneinheit ist um zirka 52 Prozent niedriger als bei herkömmlichen Strukturen. Die Gate-Drain-Ladung QGD ist etwa 80 Prozent niedriger als bei konventionellen Strukturen und erlaubt damit schnelles Schalten mit niedrigen Verlusten. Die Vorteile für den Anwender sind die im Vergleich zu konventionellen Strukturen niedrige Wärmeerzeugung im Bauteil, welche kleinere Gehäuseformen, kompaktere Schaltungsaufbauten sowie die Verwendung von günstigeren Kühlkörpern ermöglicht. Eine Variante dieses Bausteins ist erhältlich mit einer besonders schnellen Fast-Recovery-Diode (FRD), die durch ihre Schaltgeschwindigkeit die Verlustleistung während des Schaltvorgangs weiter verringert und damit weniger Wärmeentwicklung erreicht (Bild 3).

Renesas erweitert seine Produktfamilie der Super-Junction-Power-MOSFETs im Hinblick auf weitere Stromstärkebereiche sowie in den kommenden Jahren hinsichtlich höherer Spannungsklassen. Des Weiteren wird es für bestimmte Anwendungsgebiete künftig Varianten mit dafür optimierten Charakteristiken bieten.

Anwendungsbeispiel

Bild 4: Diese Beispiel-Stromversorgung gewinnt allein durch die Umstellung von konventionellen SJ-PMOSFET auf den RJK60S5DPQ um 0,3 Prozentpunkte mehr Effizienz.

Bild 4: Diese Beispiel-Stromversorgung gewinnt allein durch die Umstellung von konventionellen SJ-PMOSFET auf den RJK60S5DPQ um 0,3 Prozentpunkte mehr Effizienz. Renesas

Die Stromversorgung in Bild 4 dient nachfolgend als Beispiel. Zu sehen ist eine Schaltungstopologie mit synchroner Wechselrichtung. Die Topologie beinhaltet eine PFC-Regelung (Power Factor Correction) und eine H-Brücke, beide ausgestattet mit Deep-Trench-SJ-PMOSFET auf der Primärseite. Die Sekundärseite ist mit Power-MOSFETs im mittleren Spannungsbereich mit Spannungsfestigkeit von 60 V bestückt. Neben den diskreten Bauteilen liefert Renesas auch alle anderen Schlüsselkomponenten, also den PFC-IC, die ICs zur synchronen Wechselrichtung, Optokoppler zur galvanisch getrennten Übertragung der Regelsignale, die generelle Steuerung übernimmt ein Mikrocontroller.

Den entscheidenden Beitrag zur Steigerung der Effizienz liefern wiederum die eingesetzten SJ-PMOSFET. Im Vergleich zu konventionellen SJ-PMOSFETs steigt der Wirkungsgrad über den kompletten Ausgangsleistungbereich, bei 1000 W zum Beispiel von 97,6 auf 97,9 Prozent.

Produktauswahl

Bild 5: Auf dieses Flussdiagramm kann der Anwender klicken und gelangt damit direkt zum jeweiligen Produktauswahl-Werkzeug.

Bild 5: Auf dieses Flussdiagramm kann der Anwender klicken und gelangt damit direkt zum jeweiligen Produktauswahl-Werkzeug. Renesas

Um die Suche zum Produktangebot zu vereinfachen, hat Renesas die Online-Hilfestellungen wie Cross-Reference-Suche und parametrische Suche neu gestaltet und erweitert. Dazu kommen weitere anwendungsorientierte Hilfen, die über das reine Auswählen hinausgehen. Als Einstiegsseite dient www.renesas.eu/products/discrete/peer/guide.jsp: Die Auswahl beginnt in einer im Stil eines Flussdiagramms gehaltenen Grafik (Bild 5). Durch Klicken auf das entsprechende Feld wird die Funktion ausgelöst, wie Cross-Reference-Suche, parametrische Suche, Produktüberblick, ausgehend von der zu entwickelnden Anwendung und Schaltungstopologie.

Die Cross-Reference-Suche zum Beispiel ermöglicht durch Eingeben der Wettbewerbsteilenummer die Suche nach dem nächstkommenden Renesas-Produkt. Das Werkzeug liefert gegebenenfalls mehrere Vorschläge, zeigt die wichtigsten Parameter an und verlinkt zum Datenblatt. Bei vielen Produkten, insbesondere bei den SJ-PMOSFETs, ist zusätzlich der Spice-Parametersatz downloadbar, so dass Anwender bereits vor der Bemusterung das grundsätzliche Bauteileverhalten in der Schaltung simulieren können.

Bei der parametrischen Suche kann man die gewünschten Parameter teils durch anklicken, teils durch Schieber eingeben und eingrenzen. Die Vorschlagsliste wird entsprechend ausgegeben und lässt sich sogar im Excel-Format exportieren und weiterverarbeiten. Ein weiteres Hilfsmittel geht anstelle von den Bauteileigenschaften von der zu realisierenden Applikation und deren Topologie aus. Dieser sehr praxisorientierte Ansatz ermöglicht es dem Entwickler einen schnellen Überblick zu bekommen, welche Bausteine für die zu entwickelnde Schaltungstopologie empfohlen werden.

Online-Tool zur Simulation

Neben der Möglichkeit, die SJ-Power-MOSFETs mit Hilfe der Spice-Parameter auf dem eigenen Rechner auf deren grundsätzliche Eignung in der Schaltung zu analysieren, bietet Renesas auf der Homepage eine umfassende Simulationsumgebung mit der Bezeichnung „Power e SIM“. Dieses kostenlose Werkzeug kann beispielsweise ausgehend von der zuvor gewählten Schaltungstopologie und den ausgewählten Bausteinen Signalverläufe, Frequenzgänge, Temperaturverhalten, Wirkungsgrade und weiteres simulieren und das Zeit- und Frequenzverhalten grafisch darstellen.

Renesas setzt mit der hier vorgestellten neuen Super-Junction-Power-MOSFET-Serie auf Basis der eigenen Entwicklung der Deep-Trench-Technologie einen neuen Maßstab für höchst effiziente Leistungshalbleiter. Damit ist es möglich, den Wirkungsgrad vieler Anwendungen deutlich zu steigern. Der Herstellungsprozess erfolgt vollständig im eigenen Haus, um eine gleichbleibend hohe Produktqualität zu gewährleisten. Der Nutzer findet auf der Website zudem eine Reihe komfortabler Hilfestellungen zur Produktauswahl bis hin zur Simulation, um die Entwicklung zu beschleunigen und die Entscheidung für hocheffiziente Halbleiter zu erleichtern.