Einleitung:
Die steigende Nachfrage nach Effizienz in der Leistungselektronik erfordert die kontinuierliche Suche nach optimalen Lösungen. Anwendungen wie Stromversorgungen, Motorsteuerungen, erneuerbare Energien und Beleuchtungstechnologien sind typische Beispiele für schnell wachsende Märkte, die Leistungshalbleiter mit maximaler Wirtschaftlichkeit benötigen. Dies setzt höchste Effizienz sowohl im statischen Betrieb als auch bei immer höheren Schaltfrequenzen voraus. Konventionelle Halbleiterstrukturen, wie beispielsweise die planare Bauweise von Leistungs-MOSFETs, stoßen dabei oft an ihre physikalischen Grenzen. Daher hat Renesas eine völlig neue Produktlinie von Leistungs-MOSFETs mit sogenannter Superjunction-Struktur entwickelt. Diese erfüllt die Anforderungen sowohl für den statischen als auch für den dynamischen Betrieb. Typische Parameter für statische und dynamische Eigenschaften sind der Drain-Source-Widerstand R<sub>DS(on)</sub> (R<sub>DS(on)</sub> im leitenden Zustand) bzw. die Gate-Drain-Ladung Q<sub>GD</sub> (Gate-Drain-Ladung).
Grundlagen der Verlustleistung, Gleichungen und Parameter.
Bei einem Leistungs-MOSFET beeinflusst der sogenannte R<sub>DS(on)</sub> die Verluste maßgeblich.
Verlustleistung eines Leistungs-MOSFET im statischen Betrieb.
Beim Schaltvorgang müssen die Verluste in der Diodenstruktur addiert werden, um die Gesamtverluste zu berechnen. Folgende Gleichung und ihre Näherung werden angewendet:
durch Vertauschen der Symbole „u, U“ gegen „v, V“:
Diodenstrukturverluste:
Die Verlustleistung in der Steuerstufe kann als Verlust betrachtet werden. Die Gate-Last QG beeinflusst diese Verluste maßgeblich. Die Berechnung erfolgt wie folgt:
ändern zu
Daher beeinflussen sowohl RDSON als auch QG die Verluste. Der Begriff „Gütefaktor“ (FOM) kombiniert beide Parameter durch Multiplikation. Dies ist eine einfache Methode zur Effizienzbewertung.
Das Symbol „QGD“ wird auch für die Türablauflast verwendet.
1. P<sub>on</sub>: Einschaltverluste, Schaltverluste beim Einschalten.
P<sub>on</sub> = 1/6 × ž<sub>1</sub> × V<sub>1</sub> × t<sub>w1</sub> × f = 1/6 × 7,8 A × 84 V × 0,5 µs × 48,8 kHz = 2,66 W.
2. P<sub>out</sub>: Statische Verluste.
P<sub>on</sub> = ž<sub>22</sub> × R<sub>DS(on)(max)</sub> × t<sub>w2</sub> × f = 4 A × 0,16 W × 2,0 × 11,5 µs × 48,8 kHz = 2,87
3. P<sub>toff</sub>: Ausschaltverluste, Schaltverluste beim Ausschalten.
P<sub>toff</sub> = 1/6 × ž<sub>2</sub> × V<sub>2</sub> × t<sub>w3</sub> × f = 1/6 × 4,0 A × 54 V × 0,3 µs × 48,8 kHz = 0,53 W.
4. P<sub>total</sub>: Gesamtverluste.
Ptotal=Pton+Pon+Ptoff,=2,66W+2,60W+0,53W,=5,8W.
Renesas hat eine völlig neue Produktlinie von Superjunction-Leistungs-MOSFETs (SJ-PMOSFETs) entwickelt. Ihr Spannungsbereich von 600 V/650 V und der Strombereich von 6,1 A bis 55 A decken die meisten Anwendungen im Konsumgüter- und Industriebereich ab. Die niedrigen R<sub>DS(on)</sub>- und Q<sub>G</sub>-Werte führen zu einem Gütefaktor (FOM), der eine ideale Grundlage für die Entwicklung energieeffizienter Schaltungen bietet. Im Bereich der statischen Verluste bietet diese Produktlinie gegenüber herkömmlichen Leistungs-MOSFETs mehrere Vorteile. Bei höheren Frequenzen (> 50 kHz) sind SJ-PMOSFETs hinsichtlich der Gesamtverluste sogar IGBTs deutlich überlegen.
Beispiele für Standardgehäuse:
SJ-PMOSFETs werden typischerweise auf einem N+-Substrat aufgebaut. Die Struktur besteht aus mehreren Säulen, die mit P-dotiertem Material auf einem niedrig N-dotierten Material geschichtet sind. Ein mehrstufiger Epitaxieprozess baut die Säulen Schicht für Schicht auf und erhöht so die Gesamtdicke der implantierten Schicht, bis die erforderliche Spannungstoleranz erreicht ist. Diese Variante des Prozesses ist in Abbildung 1 (Mitte) dargestellt. Der Nachteil dieses Produktionsprozesses liegt jedoch im relativ langsamen epitaxialen Wachstum der Säulenschichten und seiner Komplexität aufgrund der mehrfachen Wiederholung der einzelnen Schritte.
Renesas hat ein neues, patentiertes Verfahren zur Herstellung von Superjoint-Strukturen entwickelt, das die genannten Nachteile vermeidet. Renesas verwendet die Deep-Trench-Technik, ein Produktionsverfahren, bei dem Gräben in das niedrig dotierte N-leitende Material geätzt werden, um P-leitende Bereiche zu erzeugen. Abbildung 1 (rechts) veranschaulicht die Deep-Trench-Struktur. Dank eines zuverlässigen Produktionsprozesses, hochpräziser Maskenausrichtung und Dotierung sowie der Miniaturisierung der P-leitenden Materialsäulen werden sehr niedrige RDSON-Werte und eine extrem niedrige interne Kapazität erreicht, was wiederum zu niedrigen QG- (QGD-)Werten führt. Dies resultiert in besten FOM-Werten.
Abbildung 2 zeigt den Querschnitt einer Deep-Trench-Struktur.
Ein Mitglied dieser Familie ist das Bauteil RJK60S5DPK mit maximalen Nennspannungen von 600 V und maximalen Nennströmen von 20 A. Es erzielt hervorragende Ergebnisse hinsichtlich statischer Verluste und Schalteigenschaften. Der spezifische Widerstand pro Flächeneinheit ist um ca. 52 Prozent niedriger als bei herkömmlichen Designs. Besonders niedrige Gate-Drain-Lastwerte (GDL), die rund 80 Prozent niedriger sind als bei herkömmlichen Designs, ermöglichen schnelles Schalten mit minimalen Verlusten. Zu den Vorteilen für den Anwender gegenüber herkömmlichen Designs zählen die geringe Wärmeentwicklung, die kompakte Schaltungsdesigns, die Verwendung kleinerer Gehäuse und der Einsatz geeigneter Kühlkörper ermöglicht.
Eine Weiterentwicklung dieses Bauelements verfügt über eine schnelle Erholungsdiode, die dank ihrer höheren Schaltgeschwindigkeit die Leistungsverluste beim Schalten weiter reduziert und somit die Wärmeentwicklung minimiert (Abbildung 4).
In den nächsten Jahren wird die SJ-PMOSFET-Familie kontinuierlich um zusätzliche Strombereiche und Versionen für höhere Spannungen erweitert. Darüber hinaus wird Renesas optimierte Versionen für spezifische Anwendungsbereiche anbieten.
Anwendungsbeispiel: Netzteil.
Das Netzteil dient als Beispiel für die steigende Nachfrage nach Effizienz in Anwendungen.
Abbildung 5 zeigt die Schaltungstopologie eines Netzteils mit synchroner Gleichrichtung. Die Topologie umfasst eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und eine Halbbrücke, die beide auf der Primärseite mit SJ-PMOSFETs mit tiefer Nut ausgestattet sind. Auf der Sekundärseite kommen Mittelspannungs-Leistungs-MOSFETs mit einer Spannungstoleranz von 60 V zum Einsatz. Neben diskreten Bauelementen liefert Renesas auch weitere wichtige Komponenten wie den PFC-IC und die ICs für die synchrone Gleichrichtung, Optokoppler für galvanisch getrennte Steuersignale sowie einen Mikrocontroller für die Gesamtsteuerung.
Die eingesetzten SJ-PMOSFETs leisten einen entscheidenden Beitrag zur Effizienzsteigerung.
Das Diagramm in Abbildung 6 zeigt die mit dem hier vorgestellten „Deep Trench“-SJ-PMOSFET erzielte Effizienzsteigerung und vergleicht sie mit einem Konkurrenzprodukt mit epitaktischer SJ-Struktur.
Online-Unterstützung bei der Produktauswahl:
Durch die Umstrukturierung und Verbesserung der Unterstützung für Querverweise und parametrische Suchen hat Renesas den Produktauswahlprozess deutlich vereinfacht. Die zusätzliche Anwendungsunterstützung, die über die einfache Geräteauswahl hinausgeht, bietet dem Anwender einen erheblichen Mehrwert.
Die unten dargestellte Produktauswahlhilfe ist über eine zentrale Website zugänglich: http://www.renesas.eu/products/discrete/peerguide.jsp
Die übersichtliche grafische Gestaltung eines Flussdiagramms (Abbildung 7) erleichtert die Produktauswahl. Ausgehend von einer geplanten Anwendung und der zu entwickelnden Schaltungstopologie aktiviert ein Klick auf das entsprechende Feld die gewünschte Funktion, beispielsweise die Querverweissuche, die parametrische Suche oder die Produktübersicht.
Die Vergleichswebsite http://www.renesas.eu/req/other_product_search.do?event=otherProductSearch hilft Ihnen, das am besten geeignete Renesas-Gerät zu einem bestimmten Konkurrenzprodukt zu finden. Gegebenenfalls werden Ihnen mehrere Optionen angezeigt. Die wichtigsten Parameter werden direkt angezeigt, und das vollständige Datenblatt kann sofort heruntergeladen werden.
Querverweise sind nicht nur für die neue SJ-PMOSFET-Produktreihe, sondern für die gesamte Produktpalette verfügbar.
Bei vielen Produkten, insbesondere SJ-PMOSFETs, können auch SPICE-Parameter heruntergeladen werden, sodass das grundlegende Verhalten des Bauelements bereits vor der Verfügbarkeit von Mustern simuliert werden kann.
Ein weiteres Hilfsmittel zur Produktauswahl ist die parametrische Suchfunktion, die über diese Website aufgerufen werden kann:
http://www.renesas.eu/req/parametric_search.do?prdCategoryKey=12&selectedConList=®ion=
Hier können Sie die Suche nach den gewünschten Produkten verfeinern, indem Sie Parameter eingeben oder auswählen, indem Sie klicken oder den Cursor bewegen. Anschließend wird die entsprechende Produktliste angezeigt.
Ein weiteres sehr praktisches Merkmal dieses Tools ist die Möglichkeit, die Vorschlagsliste zur Weiterverarbeitung in eine Excel-Tabelle zu exportieren.
Ein anderes Produktauswahltool nutzt die zu entwickelnde Anwendung und ihre Topologie als Ausgangspunkt, anstatt Produkteigenschaften zu verwenden. Dieser praxisorientierte Ansatz ermöglicht es dem Entwickler, sich einen Überblick über die für die zu entwickelnden Schaltungstopologien vorgeschlagenen Bauelemente zu verschaffen.
Online-Simulationsunterstützung
Zusätzlich zur Möglichkeit, die grundsätzliche Eignung des SJ-PMOSFET im Schaltkreis mithilfe von SPICE-Parametern auf dem eigenen Computer zu analysieren, bietet Renesas auf seiner Website auch eine komplette Simulationsumgebung namens „Powere SIM“ an.
Dieses Tool steht dem Nutzer kostenlos zur Verfügung. Ausgehend von der Topologie und den Komponenten der ausgewählten Schaltung lassen sich beispielsweise Signalverläufe, Frequenzgang, thermisches Verhalten, Wirkungsgrad und vieles mehr simulieren. Die Simulationsumgebung wird kontinuierlich verbessert und bietet Nutzern eine ideale Plattform, um den Entwicklungsprozess mit minimalem Aufwand deutlich zu beschleunigen.
Zusammenfassung:
Mit seiner neuen Serie von Superjunction-Leistungs-MOSFETs (SJ-PMOSFETs) auf Basis proprietärer Deep-Trench-Technologie setzt Renesas neue Maßstäbe für hocheffiziente Leistungshalbleiter. Dies ermöglicht eine signifikante Steigerung der Anwendungseffizienz. Der Produktionsprozess ist vollständig proprietär und gewährleistet so eine gleichbleibend hohe Produktqualität.
Renesas bietet Anwendern eine umfassende Suite funktionaler Online-Tools zur Produktauswahl, die zentral über die Website zugänglich sind. Die Produktauswahl basierend auf der gewünschten Schaltungstopologie ist eine neue Funktion, die den Auswahlprozess noch effizienter gestaltet. So ausgewählte Produkte können direkt mit dem kostenlosen Online-Tool „Powere SIM“ auf Schaltungen simuliert werden, was den Entwicklungsprozess beschleunigt.
Produktidentifizierung und -implementierung wurden vereinfacht!
Autor:
Von: Steffen Hering, A&P Produktmanagement,
Renesas Electronics Europe
