Una nuova generazione di Mosfet per autoveicoli

MOSFET & IGBT –

I Mosfet a trincea di nuova generazione, caratterizzati da una migliore struttura del chip di silicio e del contenitore, consentono ai progettisti di moderni impianti elettrici degli autoveicoli di offrire funzioni supplementari, prestazioni maggiori e una maggiore affidabilità.

Nelle auto moderne vi sono sempre più motori elettrici e questo grazie alla graduale diffusione degli azionamenti elettrici in un numero sempre maggiore di funzioni come la climatizzazione, la regolazione dei sedili e degli specchietti retrovisori, l'orientamento dei fari e il servosterzo. Nonostante l'impiego specializzato di algoritmi e architetture per il controllo del motore, la trasmissione finale del segnale Pwm al motore è responsabilità del fidato circuito a ponte costituito da quattro o sei Mosfet di potenza. Nelle applicazioni di controllo dei motori per autoveicoli, i Mosfet utilizzati devono tipicamente offrire un numero di caratteristiche tra cui dimensioni ridotte, capacità di gestire correnti elevate, alta affidabilità e capacità di sostenere diverse migliaia di cicli di accensione/spegnimento. Poiché l'affidabilità del Mosfet dipende dalla temperatura di lavoro, il contenimento delle perdite di potenza è essenziale per minimizzare gli effetti termici delle correnti continue o pulsanti ai quali il dispositivo può essere esposto. Per soddisfare questo requisito, occorre una progettazione efficace sia a livello del contenitore che a livello del chip di silicio. A livello di incapsulamento, l'ottimizzazione delle caratteristiche dei contatti metallici e dei collegamenti ohmici interni contribuisce a minimizzare l'effetto Joule grazie a una riduzione della resistenza elettrica. È inoltre necessario che elettrodi, collegamenti e rivestimenti abbiano una bassa resistenza termica in modo che il dispositivo dissipi il calore generato il più efficacemente possibile. Parlando di silicio, è risaputo che tutti i progettisti mirano a raggiungere resistenze di conduzione sempre più basse per minimizzare l'effetto Joule nel die. Al contempo, è altamente desiderabile avere, nei Mosfet per autoveicoli, una bassa capacità di ingresso (Ciss). Ciò riduce l'energia richiesta per l'accensione e consente di avere una risposta rapida ai segnali di controllo. Per i ponti H, il comportamento allo spegnimento non è un problema. Nei motori Bldc trifase, occorre controllare il tempo morto, ossia il tempo di spegnimento deve essere sufficientemente breve per impedire cortocircuiti nei Mosfet presenti sul lato dell'alimentazione (high-side) e sul lato della massa (low-side).

Il silicio nei Mosfet di nuova generazione
L'architettura a trincea è quella generalmente preferita nei Mosfet per autoveicoli, dal momento che può offrire le caratteristiche desiderate di bassa RDS(ON), bassa capacità di ingresso, bassa carica di gate e capacità di gestire correnti elevate. Rispetto ai dispositivi a trincea, la tecnologia Mosfet di tipo planare ha sempre presentato caratteristiche desiderabili come la gestione dell'effetto valanga e l'immunità ai latch-up. Più di recente, la tecnologia a trincea ha affrontato i problemi di disuniformità dei dispositivi planari con una bassa resistenza di conduzione per unità di superficie, offrendo dei chiari vantaggi ai progettisti di autoveicoli. I Mosfet a trincea per autoveicoli continuano ad evolvere, man mano che i progettisti cercano di affrontare aspetti come la diminuzione delle dimensioni, al fine di ridurre ulteriormente la RDS(ON), la carica di gate (Qg) e la Ciss. Inoltre, l'ottimizzazione della larghezza e dello spessore della trincea consente, grazie alla maggiore densità del canale, di ottenere una più elevata portata di corrente.
Toshiba U-Mos è una tecnologia a trincea per applicazioni automobilistiche caratterizzata da basse perdite e dalla capacità di gestire correnti elevate. I più recenti U-Mos di quarta generazione utilizzano celle più piccole che riducono sia la RDS(ON) che la Ciss. Ciò consente un miglioramento significativo della cifra di merito RDS(ON) x Ciss, che si traduce in un miglioramento generale per quanto riguarda l'affidabilità, l'efficienza e il comportamento in commutazione.

Innovazioni nel contenitore
I Mosfet per autoveicoli utilizzano da tempo sempre gli stessi materiali e sistemi di incapsulamento. Per migliorare l'affidabilità - un fattore importante, considerato l'elevato numero di Mosfet di potenza presenti nelle moderne autovetture - i nuovi Mosfet per autoveicoli comprendono nuovi e più efficienti metodi di incapsulamento che contribuiscono a minimizzare la resistenza di conduzione complessiva del dispositivo. Il nuovo sistema punta principalmente alla scelta dei materiali e al dimensionamento dei contatti metallici, e sulla realizzazione di interconnessioni a basse perdite tra gli elettrodi e il die. I miglioramenti nelle connessioni a filo (bondwire) tra gli elettrodi e il die del Mosfet hanno consentito ai progettisti di aumentare l'affidabilità del dispositivo e l'intensità delle correnti gestite senza gravare sulle dimensioni del contenitore. Alcune tecnologie, ad esempio, realizzano collegamenti multipli per ciascun elettrodo, aumentando in modo efficace la sezione dell'interconnessione. Ciò riduce la resistività complessiva del collegamento, diminuendo il riscaldamento per effetto Joule. Sviluppi più recenti relativi alle interconnessioni tra elettrodo e die hanno prodotto nuovi contenitori con morsetti in rame in luogo dei tradizionali collegamenti a filo in alluminio. Questo tipo di collegamento mantiene una connessione meccanica affidabile in grado di sostenere ripetuti cicli di accensione/spegnimento e di resistere agli urti e alle vibrazioni. Grazie alla più ampia sezione del collegamento multi-bondwire e alla maggiore conducibilità elettrica del rame, questa struttura riduce al minimo le perdite per effetto Joule nel contenitore. La sostituzione del classico collegamento a filo con un morsetto in rame riduce inoltre l'induttanza del contenitore, il che diminuisce ulteriormente il calore generato oltre a migliorare le prestazioni del dispositivo in termini di rumore e di velocità. Per sfruttare appieno questa tecnologia del morsetto in rame, un elettrodo di source allargato crea un percorso a bassa resistenza per la corrente che entra nel dispositivo, riducendo la temperatura di funzionamento del source stesso. La migliore struttura del canale potenzia anche la capacità di dissipazione termica del contenitore.

Un'ottima sinergia
Toshiba ha combinato gli ultimi sviluppi nell'ambito del silicio U-Mos con un migliore contatto di source e un collegamento tramite morsetto in rame tra conduttore e die, sviluppando una nuova famiglia di Mosfet ottimizzati per applicazioni automobilistiche. Questi dispositivi sono in grado di gestire correnti elevate fino a 150 A con tensioni fino a 75 V. La tecnologia a trincea contribuisce a ottenere una RDS(ON) tipica di soli 1,7 mΩ e una Ciss tipica di appena 4.500 pF. Il robusto contenitore dotato di collegamenti in rame e l'ampio elettrodo di source preannunciano per questi dispositivi un elevato numero di cicli di accensione/spegnimento. Inoltre, lo spessore del contenitore di soli 3,7 mm è più sottile del 21% rispetto a un contenitore TO-220SM (noto anche come D2PAK). Ciò migliora la dissipazione di potenza, riducendo la resistenza termica tra die e contenitore, ed offre ai progettisti ulteriori possibilità di realizzare moduli di controllo più piccoli che possano essere montati vicini al motore da comandare. Il contenitore ha superato i test AEC-Q101 alla temperatura di canale di 175 ºC ed è anche conforme allo standard TS16949. Le migliori prestazioni del gruppo contenitore-die hanno consentito una riduzione apprezzabile delle perdite elettriche e una migliore dissipazione del calore. Di conseguenza, la temperatura operativa media del Mosfet è notevolmente inferiore. Il più ampio contatto del contenitore Warp offre una temperatura di source significativamente più bassa ed influenza anche la temperatura misurata in corrispondenza del substrato del Mosfet.

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