ルネサスエレクトロニクス中耐圧車載MOSFETの開発概要

冒頭

はじめに、近年、電動化の流れが加速している自動車アプリですが、中でも48V技術は、電動モータやパワートレインのバッテリパックに加え、暖房や空調アプリケーションなどの操作にも利点があります。本記事では小型トラクション(2輪,3輪車両), 48V負荷,オンボード充電ステーションなどに向けたルネサスエレクトロニクス車載向けMOSFETの新プロセス(REXFET-1)を採用した製品を紹介します。

自動車の技術トレンド

電気自動車の分野では、48Vシステムが採用され始めています。48Vシステムの応用により、中耐圧MOSFETはHEVだけでなくBEVにも有望な市場となっています。24Vシステムと比較すると、同じ出力を得るために必要な電流は半分になります。電気自動車の最新分野では、より強力な出力、より高いトルク、スマートエンジニアリングによる自動化を備えた部品が使用されます。

48Vシステムのトレンドの観点から、BEVは熱源を持たず、より大きな負荷(ヒーター、HVAC、除氷装置など)を駆動する必要があります。48Vシステムの電力容量は、従来の12Vシステムの4倍であり、大きな負荷に対して大きな電力を供給したり、同じ電力で小さな電流を実現したりすることができます。

48Vシステムのメリットについて、BEVの予備バッテリは現在12Vですが、低電圧のため電流が増加し、制御するハーネスが物理的に重くなります。車内に48Vを分配し、アプリケーションの前にDC/DCコンバータを設置することで、さまざまなアプリケーションに対応し、内部システム全体の重量を軽減します。48Vシステムのメリットは12Vシステムと比較して電流を削減 (1/4) することにより電力能力が4倍になり車両周辺のハーネスが軽量化されます。

バッテリのコストは急速に低下しており、EVの普及が進んでいることを示しています。48Vシステムは、より小さなバッテリを使用しながら、電力要件に十分に対応します。優れている点は、高電圧システムよりもコストが低いことです。現時点では、48Vシステムは、規制、パフォーマンス、重量、コストを満たす最適なシステムを提供します。

REXFET-1プロセスについて

REXFET-1は、ルネサスエレクトロニクスMOSFETの最新プロセスになります。MOSFETで最も重要な特性は「オン抵抗」です。PWM制御および電源アプリケーションの成長に伴い、スイッチング特性の重要性が高まっています。これらの技術的進歩に基づいて、低ゲート容量と超低オン抵抗を組み合わせた高性能プロセスがREXFET-1になります。

従来のANM1およびANM2プロセスでは、スーパージャンクション技術*1を適用しました。この時点では図3-1で示すRonインデックスは0.36を達成しています。小型パッケージで低オン抵抗、高出力、高い信頼性を実現することを目指して開発された新しいREXFET-1ウェハプロセステクノロジーでは、Ronインデックスを0.24まで低下させるためにスプリットゲート技術が適用されました。この新しい技術により、アプリケーションにおける熱放散と損失をさらに減少させることが可能になります。

ルネサスエレクトロニクスでは、ウェハ処理の最先端のトレンチ技術とパッケージングのためのマルチワイヤ/クリップボンディングを活用して、自動車基準を満たすさまざまなデバイスを提供しています。今回、電気自動車で使用される48Vシステム向けにREXFET-1シリーズ（80-100V製品）を開発しました。

パッケージ技術

パワーステアリング、ブラシレス DC ドライブ、バッテリ管理などの大電流自動車アプリケーションは、TO-Leadless(TOLL)パッケージに最適です。

さらに、パッケージバリエーションで競争力を持つために、ルネサスエレクトロニクスは最初のTOLXシリーズパッケージファミリ製品を発表しました。TOLLパッケージに加えて、同じピン互換性を持つガルウィングリード付きTOLG パッケージがあります。さらに、放熱性を向上させるため、TOLTパッケージは新しい上面冷却ソリューションに最適です。TOLTは現在開発中ですが、サンプルは準備が整っています。

現在のアプリケーション需要に対応するため、3つのパッケージラインアップがあります。高電流/小型/放熱性の高いパッケージで製品ラインアップを拡大します。

□リードレスコンセプト、クリップボンディングによる高速スイッチングのための小さなインダクタンス

□トップサイドクール、デュアルサイドクール、多ピン数による高電力密度

□ウェッタブルフランク、クリップボンディング技術による優れたパッケージとはんだ付けの信頼性

□システムサイズとコスト削減のための高さを含むパッケージサイズのダウンサイジング

ルネサスエレクトロニクスは、将来のニーズに対応するため、最新のトレンドデザインに対応した小型・小型の最新パッケージを今後も投入していきます。

REXFET-1プロセスの機能と性能

ルネサスエレクトロニクスのTOLL/TOLG製品の設計は、高電流アプリケーションと市場で最も低いオン抵抗向けに設計された革新的なパッケージタイプです。コンパクトな設計で、設置面積と高さの両方を削減します。

TOLLパッケージの設計は、TO-263-7Pと比較して大幅に改善されています。全体のサイズが60%削減され、設置面積が30%削減され、高さが50%削減されています。

【主な機能】

□超低Rds (オン) で伝導損失を最小化

□低入力容量&安定したスイッチング機能

□クラス最高のRDS x Qgの性能指数 (FOM)

□ぬれ式フランクリードタイプによる優れたはんだ付け性

□パッケージによる300A高電流サポート

□ AEC-Q101認定製品およびPPAP対応

□ PB-Free、RoHS準拠

□動作温度-40~175°C

【メリット】

□ノイズ抑制設計が容易

□高効率、高電力、低放熱コスト

□ドライバ回路の簡素化

□システムニーズに最適な選択が容易

【主な製品仕様】

まとめ

ルネサスエレクトロニクスは、車載用48Vシステムが電気自動車ビジネスにおいて重要になることを認識し、中耐圧パワーMOSFETの開発に取り組み、下図のようなTOLL、TOLGパッケージ製品を発売しました。また、省スペース化のための先進的なパッケージング(TOLT、5×6 SO8-FL、3×3 uSO8-FL)も用意しています。48Vシステムのニーズに対応した新しいパッケージ製品を開発していきます。

*1：通常のMOSFETの構造に複数のP型とN型の層を交互に並べることで、デバイス内部での電流の流れを効果的に管理しています。この構造により、高耐圧と低オン抵抗を実現します。

出典：ルネサスエレクトロニクス MOSFET REXFET-1 Application Note R07AN0040EJ0100 Rev.1.00