Energietragfähigkeit von High-Side-Treibern Fehler vermeiden

Auch im Bereich von Leistungshalbleiter-Schaltern geht der Trend zu immer kleineren Strukturgrößen und Chipflächen. Diese Tendenz ist in erster Linie kostengetrieben, da eine kleinere Chipfläche eine höhere Ausbeute...

Energietragfähigkeit von High-Side-Treibern

Auch im Bereich von Leistungshalbleiter-Schaltern geht der Trend zu immer kleineren Strukturgrößen und Chipflächen. Diese Tendenz ist in erster Linie kostengetrieben, da eine kleinere Chipfläche eine höhere Ausbeute von Bauteilen pro Wafer bedeutet. Die Fixkosten pro Wafer können somit auf eine größere Anzahl von Chips verteilt werden.

Der Miniaturisierung sind neben physikalischen Gesetzmäßigkeiten weitere natürliche und ökonomische Grenzen gesetzt. Einer dieser Aspekte ist die Energiefestigkeit der Bauteile, das heißt die Fähigkeit der Schalter, die in der Last und im Kabelbaum gespeicherte magnetische Energie beim Abschalten zerstörungsfrei aufzunehmen. Ein wesentlicher Faktor für die Energietragfähigkeit des High-Side-Treibers ist seine Chipfläche. Je größer diese ist, je geringer ist die Energiedichte im Silizium beim Abkommutieren der induktiven Lasten und je geringer ist der Temperaturanstieg in der Sperrschicht. Typischerweise sollten Sperrschichttemperaturen von 200 °C nicht überschritten werden, da dies langfristig zur Schädigung des Treibers führt oder beim deutlichen Überschreiten dieser Grenzen zur unmittelbaren Zerstörung. Bild 1 zeigt das Schadensbild eines Doppelkanal High-Side-Treibers, der durch einmaliges Abkommutieren mit zu hoher Energie zerstört wurde.

Hohe Stromdichte zwischen den Bonddrähten

Da der Transistor beim Entmagnetisieren im Linearbetrieb arbeitet, können beim Überschreiten der SOA (Safe Operating Area) die bekannten Fokalisierungseffekte auftreten („Hotspots“). Der Strom fließt vorzugsweise durch die Transistorzellen, die die geringste Schwellspannung aufweisen. Diese Zellen werden somit stärker aufgeheizt. Da die Schwellspannung mit zunehmender Temperatur abnimmt, ergibt sich dadurch ein Effekt mit positiver Rückkopplung, der letztendlich zum Ausfall führt. Der Transistor wird vorzugsweise im Bereich zwischen den Bonddrähten zerstört, da dort die höchste Stromdichte vorliegt.

Die Energietragfähigkeit des High-Side-Treibers wird üblicherweise im Abschnitt „Maximum Ratings“ des Datenblatts spezifiziert. Dieser Parameter ist jedoch nur für einen speziellen Arbeitspunkt spezifiziert, das heißt bei festgelegter Versorgungsspannung, Lastimpedanz und Lastinduktivität und für einen einmaligen Abschaltvorgang. Da die Energiefähigkeit von High-Side-Treibern in starkem Maße von der Lastinduktivität abhängig ist, sind Diagramme der maximal möglichen Energie in Abhängigkeit von der Lastinduktivität und des maximal möglichen Abschaltstromes in Abhängigkeit von der Lastinduktivität wesentlich aussagekräftiger. Diese Diagramme enthalten Kurven sowohl für den einzelnen als auch für wiederholte Abschaltvorgänge. Für das Schaltungsdesign mit induktiven Verbrauchern sind also Letztere relevant. Bild 6 zeigt den prinzipiellen Kurvenverlauf.

Für das Beispiel eines Klimaregelungsventils (8 Ω, 50 mH Last) bedeutet dies, dass der Treiber auch wiederholte Abschaltvorgänge, wie beispielsweise im PWM-Betrieb, bis zu einer Starttemperatur von Tj = 125 °C und einer Versorgungsspannung von 16 V ohne externe Schutzbeschaltung verträgt. Ein kleinerer High-Side-Treiber könnte diese Funktion nur mit externer Freilaufklemmung erfüllen.