La gestione dell’energia è oggi una questione di fondamentale importanza per i progettisti di autoveicoli. Aziende e legislatori si aspettano un maggiore risparmio di carburante e un minor quantitativo di emissioni, mentre gli utenti continuano a richiedere più comfort e funzioni di sicurezza. Le tecnologie Mosfet di nuova generazione offrono una maggiore efficienza e caratteristiche termiche in grado di apportare al veicolo miglioramenti significativi in termini di prestazioni, efficienza e affidabilità. Lo sviluppo di transistor Mosfet di potenza per sistemi automobilistici, con tensioni da 30 V a 100 V, è attualmente incentrato sul miglioramento della tecnologia di gate a trincea e sul restringimento della trincea stessa, il che si traduce in una minore superficie occupata dal die a parità di resistenza di conduzione e di tensione nominale, mentre le capacità parassite continuano a mantenersi basse.
Tecnologie e processi per i Mosfet per l’auto
I nuovi dispositivi hanno cifre di merito significativamente migliori. Ad esempio, il prodotto Rds(on)xA di un dispositivo a canale N da 100 V, fabbricato con il processo U-Mos 8 di nuova generazione di Toshiba è circa la metà di un analogo dispositivo U-Mos 4. La tecnologia U-Mos 8, inoltre, offre una riduzione del 60% del prodotto Rds(on)xCiss rispetto alla tecnologia U-Mos IV. Il prodotto Rds(on)xCiss influisce maggiormente sulle perdite di potenza, con un impatto significativo sui circuiti di alimentazione e di azionamento del motore. Anche le prestazioni dinamiche sono decisamente migliori nei dispositivi U-Mos 8, con il vantaggio di avere un ronzio più breve del 50% in fase di spegnimento, rispetto alla generazione U-Mos 4.
La fase di recupero inverso rivela inoltre una frequenza di oscillazione più bassa, il che rende la tecnologia U-Mos 8 adatta ai sistemi di controllo di motori. I progressi delle tecniche di incapsulamento sono alla base di una maggiore affidabilità, oltre a permettere correnti di picco più elevate e una maggiore densità di corrente nei sistemi ad alta potenza, come il servosterzo elettrico e gli inverter ibridi. Le connessioni a filo presenti nei tradizionali contenitori dei Mosfet di potenza limitano i valori di corrente ammissibili e costituiscono un classico motivo di guasto. La tecnologia copper-clip adottate nel nuovo contenitore Dpak+ sostituisce le tradizionali connessioni bondwire con dei morsetti in rame dotati di un’ampia superficie di contatto e connessi direttamente alla metallizzazione del chip. La tecnologia copper-clip è presente nel contenitore di potenza TO-220SM(W) sviluppato da Toshiba. Il nuovo contenitore è simile al tradizionale formato D2Pak, e possiede un contatto di source largo più del triplo. Ciò permette di gestire correnti più elevate, fino a 200 A, con un ingombro superficiale più piccolo (13 x 10 mm); ad esempio: 200 A a 40 V o 160 A a 100 V.
Nuovi contenitori migliorano il raffreddamento
Per i piccoli dispositivi utilizzati nelle applicazioni a bassa e media potenza, stanno emergendo diversi tipi di contenitori con migliori caratteristiche termiche. Ad esempio, il nuovo contenitore Dsop Advance ha lo stesso ingombro superficiale del comune Sop da 5 x 6 mm e presenta un’architettura che sfrutta il sistema di raffreddamento sulle due facce per consentire una maggiore dissipazione di potenza e migliorare l’affidabilità. Nel contenitore Dsop, l’elettrodo di source sulla superficie superiore del die è collegato a un elettrodo ampio presente sulla faccia superiore del contenitore, consentendo la presenza di un elettrodo di drain più ampio sulla faccia inferiore. Ciò permette di sfruttare al massimo la superficie del contenitore, aumentandone la dissipazione di potenza.
Il controllo del gate in sostituzione del relè
Le tecnologie a semiconduttore e le tecnologie di incapsulamento degli odierni Mosfet U-Mos 8 permettono di gestire correnti nominali elevate che nei contenitori standard arrivano fino a 200 A, permettendo di sostituire con dei Mosfet i tradizionali relè meccanici presenti nei sistemi a commutazione di carico ad alta potenza. Ciò consente di raggiungere un’affidabilità significativamente maggiore utilizzando componenti piccoli e leggeri. Toshiba ha sfruttato i vantaggi offerti dalle dimensioni ridotte del contenitore PS-8 per creare il circuito di prepilotaggio TPD7104F per Mosfet singoli ad alta corrente. Questo gate driver integra tutti i necessari circuiti di controllo logico e protezione, oltre a una pompa di carica per generare la tensione di gate necessaria per il controllo nel ramo superiore del circuito di pilotaggio dei sistemi Pwm.
