Integration komplementärer MOSFETs für kompakte Motorsteuerungen

Toshiba Electronics Europe GmbH hat einen neuen Dual-MOSFET vorgestellt, der N-Kanal- und P-Kanal-Transistoren in einem einzigen Gehäuse integriert. Das Bauelement wurde für Motorsteuerungs- und Leistungsschaltanwendungen entwickelt und richtet sich an platzkritische Industrie- und Konsumelektronik, bei der Schaltungsvereinfachung, Energieeffizienz und Bauteilreduzierung zunehmend wichtige Entwicklungsziele sind.

Komplementäres MOSFET-Design für Leistungsmanagement-Schaltungen
Entwickler von Leistungselektronik verwenden häufig Kombinationen aus N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETs in Motorantrieben, Lastschaltern und Stromverteilungsschaltungen. Die Integration beider Transistortypen in einem einzigen Gehäuse kann die Leiterplattenfläche reduzieren, die Beschaffung von Komponenten vereinfachen und die Montagekomplexität verringern.

Das neue Bauelement kombiniert einen N-Kanal-MOSFET und einen P-Kanal-MOSFET in einem kompakten TSOP6F-Gehäuse mit Abmessungen von 2,9 mm × 2,8 mm × 0,8 mm. Das Gehäuse verfügt über Flachanschlüsse und unterstützt damit automatisierte Bestückungsprozesse sowie hochdichte Leiterplattenlayouts.

Zu den Zielanwendungen zählen die Steuerung einphasiger bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC), die Steuerung gebürsteter Gleichstrommotoren sowie Lastschaltfunktionen in Konsumelektronik, industriellen Steuerungen und Stromversorgungssystemen.

Niedriger und ausgewogener Einschaltwiderstand
Der MOSFET nutzt Toshibas UMOSVIIH-Prozesstechnologie für den N-Kanal-Transistor und die UMOSVI-Prozesstechnologie für den P-Kanal-Transistor.

Ein wesentliches Merkmal des Bauelements ist die enge Abstimmung der Drain-Source-Einschaltwiderstände. Der N-Kanal-MOSFET erreicht einen maximalen RDS(ON)-Wert von 46 mΩ bei einer Gate-Source-Spannung von 10 V, während der P-Kanal-MOSFET einen maximalen RDS(ON)-Wert von 45 mΩ bei einer Gate-Source-Spannung von −10 V erreicht.

Die nahezu identischen Widerstandswerte tragen dazu bei, die Leitungsverluste zwischen beiden Transistoren gleichmäßig zu verteilen. In komplementären Schaltungen können größere Widerstandsunterschiede zu ungleichmäßiger Wärmeentwicklung und höherem Entwicklungsaufwand führen. Vergleichbare Widerstandswerte vereinfachen daher die Schaltungsoptimierung und das Thermomanagement.

Reduzierung der Leiterplattenfläche und Bauteilkonsolidierung
Die Integration komplementärer MOSFETs in einem einzigen Gehäuse bietet Vorteile, die über die reine elektrische Leistung hinausgehen. Durch den Ersatz zweier diskreter Bauelemente durch eine einzelne Komponente können Entwickler die benötigte Leiterplattenfläche reduzieren und die Gesamtzahl der Bauteile verringern.

Dieser Ansatz kann zudem die Stücklistenkosten (BOM) senken und das Bestandsmanagement vereinfachen. Solche Vorteile sind insbesondere bei kompakten Konsumgeräten und industriellen Steuerungssystemen relevant, in denen Platz auf der Leiterplatte begrenzt ist und eine effiziente Fertigung eine wichtige Rolle spielt.

Anwendungen in Motorsteuerungssystemen
Motorsteuerungen gehören zu den wichtigsten Einsatzgebieten komplementärer MOSFET-Konfigurationen. In BLDC-Antrieben und Steuerungen für gebürstete Motoren werden MOSFETs eingesetzt, um Ströme effizient zu schalten und Leistungsverluste zu minimieren.

Geringere Leitungsverluste können die Gesamteffizienz eines Systems verbessern und die Wärmeentwicklung reduzieren, was insbesondere in geschlossenen elektronischen Geräten von Bedeutung ist. Die ausgewogenen elektrischen Eigenschaften des integrierten MOSFET-Paars können zudem ein vorhersehbareres Schaltverhalten in Motorsteuerungstopologien unterstützen.

In Anwendungen zur Lastschaltung von Stromversorgungen kann das Bauelement verwendet werden, um Strompfade zu steuern und gleichzeitig Spannungsverluste über die Schaltstufe zu minimieren.

Erweiterung des Dual-MOSFET-Portfolios
Mit der Einführung erweitert Toshiba sein TSOP6F-Dual-MOSFET-Portfolio, das verschiedene Konfigurationen für unterschiedliche Anforderungen im Leistungsmanagement umfasst. Das Sortiment besteht aus drei Dual-N-Kanal-MOSFETs, einem Dual-P-Kanal-MOSFET und zwei komplementären N-Kanal-/P-Kanal-MOSFETs.

Diese breitere Auswahl ermöglicht es Entwicklern, Bauteilkombinationen entsprechend ihren Anforderungen an Spannung, Strom, Effizienz und Layout auszuwählen, ohne das Gehäuseformat wechseln zu müssen.

Trends bei Miniaturisierung und Energieeffizienz von Halbleitern
Die Nachfrage nach höherer Energieeffizienz und kleineren elektronischen Systemen beeinflusst weiterhin die Entwicklung von Halbleitern in den Bereichen Industrieautomatisierung und Konsumelektronik. Integrationsstrategien für MOSFETs, bei denen mehrere Schaltelemente in einem einzigen Gehäuse zusammengeführt werden, werden zunehmend eingesetzt, um kompakte Systemdesigns bei gleichzeitig reduzierten Leistungsverlusten zu ermöglichen.

Durch die Integration komplementärer MOSFET-Technologien in einem Gehäuse mit kleiner Grundfläche und die Bereitstellung eng abgestimmter Widerstandswerte adressiert das Bauelement sowohl die Anforderungen an Miniaturisierung als auch an Energieeffizienz moderner elektronischer Systeme.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die in der ursprünglichen Pressemitteilung nicht enthalten waren.

Komplementäre MOSFET-Bauelemente werden von zahlreichen Halbleiterherstellern angeboten, darunter Infineon Technologies, Nexperia, onsemi, ROHM Semiconductor und Vishay Intertechnology.

Mit einer Drain-Source-Spannungsfestigkeit von 30 V und maximalen Einschaltwiderständen von etwa 45 bis 46 mΩ positioniert sich das Bauelement im Niederspannungs-MOSFET-Segment, das häufig für Motorsteuerungs- und Lastschaltanwendungen eingesetzt wird. Vergleichbare Produkte in TSOP-6-, SOT-23-6- und DFN-Gehäusen sind typischerweise für Spannungsbereiche zwischen 20 V und 40 V ausgelegt und konzentrieren sich auf geringe Leitungsverluste in batterieversorgten und industriellen Elektronikanwendungen.

Die Integration komplementärer MOSFETs in einem einzigen Gehäuse ist ein etabliertes Konzept zur Reduzierung der Leiterplattenfläche. Eng aufeinander abgestimmte Widerstandswerte von N-Kanal- und P-Kanal-MOSFETs bleiben jedoch ein wichtiger Differenzierungsfaktor, da sie die Schaltungsabstimmung und das Thermodesign vereinfachen können. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung und Effizienzsteigerung elektronischer Geräte werden integrierte MOSFET-Lösungen zunehmend in kompakten Motorantrieben, tragbaren Geräten, Industriesensoren und eingebetteten Leistungsmanagementsystemen eingesetzt.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

www.toshiba.com