I Mosfet sono un componente essenziale nelle moderne automobili. Al crescere del contenuto di elettronica e avvicinandoci ai veri e propri veicoli senza conducente, i sistemi elettronici stanno assumendo ruoli più importanti che in passato. Come tali, i sistemi elettronici basati su Mosfet sono essenziali per ridurre le perdite del sistema - assicurando risparmi superiori di carburante e riducendo le emissioni nei veicoli convenzionali. Quando la e-mobilità diventerà popolare, si renderanno necessari miglioramenti nell’efficienza per garantire in futuro distanze di percorrenza maggiori fra una carica e l’altra nel caso dei veicoli elettrici e ibridi elettrici. La quantità di contenuto elettronico nei veicoli moderni è in crescita. Di conseguenza, i Mosfet devono fornire densità di potenza maggiori e prestazioni termiche superiori che consentono ai progettisti di ottenere le funzionalità, l’affidabilità e la robustezza desiderate in uno spazio limitato. I requisiti dei Mosfet variano in relazione al caso d’uso specifico e alla loro collocazione all’interno del veicolo, che definisce i requisiti sul livello di robustezza e sulle prestazioni termiche. I principali produttori di semiconduttori forniscono ai progettisti una suite di prodotti che offrono più opzioni in termini di prestazioni elettriche e termiche, con una varietà di tipi di package. Per essere idoneo al gravoso ambiente automotive, questi Mosfet devono essere qualificati per i relativi standard come l’Aec-Q101. Essendo presenti sempre più funzioni elettrificate nei veicoli, il numero dei dispositivi di potenza impiegati al loro interno cresce in proporzione. Le tensioni nei veicoli stanno crescendo da 12 a 24 V fino a 48 V, incrementando la richiesta di Mosfet da 100 V. Infine, negli spazi sempre più densi all’interno delle moderne vetture, le temperature ambiente sono più alte che nelle applicazioni consumer, informatiche o addirittura industriali. Questo porta con sé una sfida significativa per i progettisti dei sistemi, essendoci un margine inferiore all’aumento della temperatura nel dispositivo.
Prestazioni elettriche e termiche
Le società di semiconduttori hanno due principali spinte nel rispondere a queste sfide; una elettrica e una termica. Da un punto di vista elettrico, le prestazioni dei semiconduttori migliorano costantemente, accanto alla relativa tecnologia dei wafer, nella riduzione delle resistenze e delle capacità nel dispositivo finale. Questi miglioramenti introducono maggiori efficienze e consentono di ottenere commutazioni a velocità superiori, fornendo Mosfet adatti per le attuali applicazioni ad alta densità di potenza. In parallelo, la tecnologia dei package è soggetta a uno sforzo di sviluppo significativo. L’esigenza di ridurre le dimensioni dell’Ecu può essere soddisfatta con package di Mosfet significativamente più piccoli. La sfida consiste nell’ottenere lo stesso livello di prestazioni termiche in questi spazi più ristretti. Le aziende stanno cercando modalità innovative sempre diverse per rimuovere il calore dalla giunzione del semiconduttore, consentendo quindi di ottenere efficienze termiche superiori, richieste per i sistemi ad elevata potenza in spazi ristretti che operano in presenza di temperature ambiente elevate. Quale compagnia impegnata da molti anni nello sviluppo di Mosfet di potenza per automotive, Toshiba è all’avanguardia nell’innovazione per le applicazioni esigenti di oggi a bordo dei veicoli. Il portafoglio di prodotti Mosfet di potenza per automotive dell’azienda comprende dispositivi a canale N e a canale P basati sulle tecnologia trench gate. I processi trench di Toshiba offrono la migliore combinazione di prestazioni di conduzione e di commutazione nell’intervallo di tensioni di riferimento.
L’innovazione nella tecnologia dei package
La tecnologia di packaging ha un grandissimo impatto sull’affidabilità e sulla capacità di supportare correnti più elevate all’interno delle applicazioni automotive ad alta potenza. Nei package Mosfet tradizionali, i fili di collegamento dal die verso il leadframe limitano le capacità di trasporto della corrente e inoltre rappresentano un punto di guasto comune. Per far fronte a queste limitazioni, Toshiba ha sviluppato una tecnologia di connessione alternativa. Toshiba è unico fra i fornitori di Mosfet di potenza per automotive, e fa uso di connettori in rame in package di potenza di grandi dimensioni come Dpak e D2pak. Altri fornitori continuano a usare fili di connessione convenzionali in alluminio. Toshiba ha lanciato un connettore in rame basato su package TO-220SM(W) fin dal 2008; si tratta del package Smd di potenza per automotive da 10 x 13 mm originale di Toshiba. La società ha introdotto sul mercato i connettori in rame per i package Dpak e D2pak per applicazioni automotive rispettivamente nel 2011 e nel 2015, denominando i package avanzati Dpak+ e D2pak+ per distinguerli dai package con saldatura a filo. Il connettore in rame fornisce numerosi vantaggi, specialmente in applicazioni automotive. In primo luogo, l’area di contatto fra la piazzola di source e il connettore in rame di source è significativamente superiore, producendo correnti planari più basse sullo strato metallico della piazzola di source. La conduttività del rame è molto migliore rispetto a quella dell’alluminio, dal punto di vista sia elettrico, sia termico. La conduttività termica è di 401 W/(m·K) per il rame, mentre è di 237 W/(m·K) per l’alluminio. La resistività elettrica (a 20 °C) è di 16,8 nΩ·m per il rame e di 28,2 nΩ·m per l’alluminio. Una conducibilità termica superiore rimuove il calore più rapidamente dal connettore del package e la resistività inferiore contribuisce alla diminuzione della resistenza del package, riducendo di conseguenza la generazione del calore. Per mostrare e utilizzare i vantaggi della tecnologia di connessione in rame, Toshiba ha sviluppato il package unico TO-220SM(W). Questo package Smd di potenza da 10 x 13 mm appare simile al D2pak da 10 x 15 mm, ma ha un pin di source molto più corto e 3 volte più largo rispetto a un package normale D2pak.
Confronto fra le resistenze di on dei Mosfet
A causa delle dimensioni modificate del pin di source, la resistenza del package è ridotta di circa 0,15 mΩ. Se confrontiamo il Mosfet TK1R4F04PB 40 V da 1,35 mΩ nel package con il TO-220SM(W) Mosfet TK1R5R04PB 40 V da 1,5 mΩ in un package D2pak+, il miglioramento è evidente. Mentre entrambi i dispositivi sono basati sullo stesso chip, la resistenza di on del TK1R4F04PB è inferiore di 0,15 mΩ rispetto a quella del TK1R5R04PB. Anche un piccolo miglioramento di 0,15 mΩ è molto significativo con valori di Rds(on) di pochi milliohm. Il TKR74F04PB è un Mosfet da 40 V in package TO-220SM(W) con una Rds(on) di appena 0,74 mΩ. Questo valore basso può essere ottenuto solo combinando la tecnologia di connessione in rame di Toshiba, la tecnologia unica di package TO-220SW(W) e un processo avanzato di fabbricazione dei wafer. La Rds(on) è il parametro più importante in molte applicazioni, incluse quelle automotive. I sistemi a batterie a 12 V fanno ampio uso dei Mosfet da 40 V. Dpak è un package standard per i Mosfet e gli utenti possono confrontare facilmente i valori di Rds(on) fra i fornitori. Il TK1R4S04PB è un Mosfet automotive da 40 V e 1,35 mΩ in un package Dpak+. Esso presenta i valori più bassi di Rds(on) fra tutti i Mosfet automotive in package Dpak da 40 V presenti sul mercato, in base ad una ricerca effettuata da Toshiba. Il valore migliore successivo fornito da un altro produttore era di 1,7 mΩ. In base alla crescita prevista dei sistemi di batterie a 48 V, i Mosfet da 100 V diventeranno sempre più importanti per i progettisti. Il TK55S10N1 è un Mosfet da 100 V con una Rds(on) pari a 6,5 mΩ alloggiato nel package Dpak+. Si tratta del valore più basso di Rds(on) nel mercato dei Mosfet da 100 V in package Dpak per applicazioni automotive. Toshiba prevede di rilasciare a breve un Mosfet da 100 V e 6,1 mΩ in un package Dpak+.
Funzionamento in parallelo e rumore di commutazione
In un tipico sistema di batterie da 48 V, la fascia di potenza del motore è generalmente nell’intervallo fra 1 e 10 kW. Per essere in grado di pilotare un motore da 5 kW, i Mosfet devono essere messi in parallelo per ottenere le correnti elevate necessarie. Sebbene questo non sia un approccio nuovo, il funzionamento dei Mosfet in parallelo richiede una progettazione attenta, soprattutto per quanto riguarda le differenze di temporizzazione fra i Mosfet in parallelo durante la commutazione. Grandi differenze di commutazione portano ad asimmetrie significative nelle perdite di commutazione che non sono desiderabili. Se un Mosfet si accende o si spegne prima rispetto agli altri Mosfet nel sistema in parallelo, le perdite di commutazione si concentrano su questo singolo Mosfet. Per ovviare a tale problema, Toshiba ha rilasciato il TK160F10N1L, un Mosfet di potenza da 100 V e 160 A che fornisce una specifica più stringente sulla tensione di soglia rispetto ai dispositivi precedenti. Offrendo specifiche sulla Vth pari a 2,5 V minimi /3,5 V massimi rispetto ai 2 V minimi/4 V massimi del suo predecessore, il TK160F10N1L è ideale per applicazioni di commutazione in ambiente automobilistico che fanno uso di Mosfet in parallelo, dato che le specifiche più stringenti sulla Vth distribuiscono le perdite di commutazione più uniformemente. Per quanto riguarda la commutazione, le Emi costituiscono un altro aspetto importante. Le due forme d’onda dei Mosfet di Toshiba durante lo spegnimento, che mostrano che il tempo di oscillazione del TK100S04N1L, basato sul processo su semiconduttore Umos8 di Toshiba, è la metà di quello del TK80S04K3L, basato su un processo Umos4 più vecchio. Le caratteristiche dinamiche migliori del processo Umos8 assicurano di conseguenza emissioni di rumore ridotte.
L’uso dei Mosfet a canale P
Toshiba dispone di un portafoglio completo di Mosfet a canale P, che sono spesso usati per la protezione dai rischi di un eventuale scambio dei poli delle batterie o come interruttore high-side dei circuiti Half-/H-/B6-bridge. Dato che non occorre alcuna pompa di carica, che può essere fonte di rumore, per pilotare un Mosfet a canale P, il circuito di pilotaggio dei gate è semplice e offre un rapporto prestazioni costi a livello di sistema ragionevolmente buono.
