Optimale Balance aus Leitungsverlusten und Schalteffizienz

Bei der MOSFET-Entwicklung gibt es derzeit zwei dominierende Aspekte. Der eine betrifft die Hochleistungsdatenverarbeitung in Server-Farmen. Hier sind der Strombedarf und die Leistungsdichte der Mikroprozessoren in den Racks immens gestiegen, wodurch hohe Anforderungen an Stromverbrauch, Platzbedarf und das Wärmemanagement gestellt werden.

Im Computer-Bereich ist inzwischen die Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht mehr das Hauptanliegen. Gefordert werden kompakte Stromversorgungssysteme und eine lange Batterielebensdauer. Dazu ist es erforderlich, die Schaltfrequenzen der Stromversorgungssysteme zu erhöhen, damit kleinere Magnetbauteile und passive Bauelemente verwendet werden können, um weniger Platz auf der Leiterplatte zu belegen.

Wichtige Faktoren für die MOSFET-Spezifikation

Wurden die wesentlichen Treiber auf der Anwendungsebene ermittelt, stellt sich die Frage, wie sich dies auf die Bauteilspezifikationen auswirkt. Drei Hauptparameter sind bei der Spezifikation von MOSFETs für Stromversorgungssysteme zu beachten:

• Der Durchlasswiderstand (RDS_ON) ist entscheidend bei der Verringerung der MOSFET-Leitungsverluste: Dieser Wert sollte deshalb so gering wie möglich sein.
• Figure-of-Merit (FOM) definiert sich durch RDS_ON x Q_G (gesamte Gate-Ladung). Der Wert ist ein Indikator für die Schalt- und Leitungsverluste des MOSFETs und ein wichtiges Kriterium bei der Bauteilwahl.
• Schaltleistung: Je besser die Schaltcharakteristik des MOSFETs ist, desto geringer sind die Schaltverluste. Bei den immer höher werdenden Schaltfrequenzen nimmt die Bedeutung der Schaltleistung weiter zu.

MOSFET-Design und seine Auswirkungen

MOSFETs kamen ab den 1980er Jahren vermehrt zum Einsatz. In den Jahrzehnten danach hat sich bei der Fertigung und den Leistungsspezifikationen dieser Bausteine viel verändert. Aus verschiedenen Gründen müssen MOSFETs für die genannten Anwendungen so wenig Verlustleistung wie möglich abführen (im aktiven als auch inaktiven Zustand). Ein niedriger RDS_ON ist daher entscheidend. Ebenfalls von Vorteil ist eine hohe Wandlungseffizienz, genauso wie eine kleine Chipgröße, da in tragbaren Anwendungen als auch in Server-Installationen der Platz beschränkt ist. Es stellt sich also die Frage, wie sich ein hoher Leistungsgrad auf Bauteilebene erreichen lässt.

Bei einem MOSFET-Design gibt es zwei wesentliche Bereiche. In der Vergangenheit konnten die Hersteller mit der genauen Einhaltung einer dieser beiden Anforderungen gut leben. Die zweite Anforderung wurde dann anschließend beziehungsweise nachträglich erfüllt. Heute müssen beide Aspekte gleichzeitig und mit gleichem Nachdruck verfolgt werden:

• Prozesstechnologie: Vor zehn Jahren benötigte eine CPU einen Strom von 10 A, heute ist dieser Wert auf etwa 100 A gestiegen. Diese Entwicklung fordert einen vielfach geringeren RDS_ON, um Formfaktoren und die Abwärme gering zu halten. Andernfalls ergäben sich wesentlich größere und teurere Elektronikgeräte. Zudem kann die Schaltleistung eines MOSFETs durch geringere Eigenkapazitäten erhöht werden. Der Fortschritt in der Halbleiterprozesstechnik hat die von OEMs geforderten geringeren RDS_ON– und Kapazitätswerte bei MOSFETs möglich gemacht. Diese Senkungen sollten skalierbar bleiben, um mit den kleineren Halbleitergeometrien der Zukunft mithalten zu können. Die Shielded-Gate-Trench-Topologie sorgt dabei für neue Möglichkeiten, wie zum Beispiel Schaltüberschwingen minimieren und niedrigere RDS_ON-Werte unterstützen. Bei steigenden Schaltfrequenzen treten auch mehr Überschwinger auf. Eine Topologie, die diesen Effekt verringert, ist somit äußerst wünschenswert.

•  Gehäusetechnik: Der Anschlusswiderstand muss im Hinblick auf die RDS_ON-Werte auf dem Chip verringert werden (vor allem wenn derzeit RDS_ON-Werte im Sub-mΩ-Bereich erreicht werden) – anderenfalls wirken sich die Verbesserungen im Chip nicht aus. Clips anstelle von Bonddrähten sind der Hauptgrund, warum der Verbindungswiderstand nur einen Bruchteil des gesamten RDS_ON ausmacht. Das Exposed Pad auf der Unterseite von SMD-Gehäusen stellt den wichtigsten Wärmepfad mit geringem Wärmewiderstand dar. Heute gibt es auch SMD-Gehäuse, die über einen Wärmepfad auf der Oberseite des Gehäuses verfügen und somit die Anbindung eines Kühlkörpers auf der Gehäuseoberseite ermöglichen. Diese Art von Gehäuse ist vor allem dann hilfreich, wenn die Leiterplatte keinen effektiven Kühlkörper darstellt. Umfassendes Halbleiter-Know-how, das für eine hohe Leistungsfähigkeit sorgt, hilft also wenig, wenn ein schlechtes Gehäuse gewählt wird.

Bild 1: Thermisch optimiertes SO8FL-Gehäuse mit Kühlkörper.ON Semiconductor

Die über die Jahre kontinuierlich verkleinerte Chipgröße brachte den Übergang von Leistungshalbleitergehäusen mit Anschlussdrähten (TO220) zu SMD-Gehäusen für einzelne MOSFETs und nun zu Dual-Gehäusen voran. Hochleistungs-MOSFET-Paare sind heute im 5 mm x 6 mm-Gehäuse erhältlich. Die Leistungsfähigkeit wurde durch geringere Verbindungswiderstände und Induktivitäten verbessert. Dies bietet Entwicklern vor allem bei platzbeschränkten Anwendungen mehr Vorteile (Bild 2).

Bild 2: Weiterentwicklung bei der Gehäusetechnik.On Semiconductor

MOSFETs, die Entwicklern eine optimale Balance aus Leitungsverlusten und Schalteffizienz bieten, sind für das Design eines Endprodukts entscheidend. Neueste Halbleiterfertigungsprozesse und Gehäusetechnik helfen dabei, Verluste und Abwärme zu minimieren, sodass zugehörige Wärmemanagement-Mechanismen weniger Platz einnehmen. Endprodukte passen damit in schlankere, weniger umständliche Formfaktoren. Zudem erhöhen sich die Zuverlässigkeit und die Produktlebensdauer.

(ah)