Entwicklung von MOSFET-Schaltungen Die Bedeutung des sicheren Arbeitsbereichs

Es kann fatal sein, den sicheren Arbeitsbereich zu vernachlässigen.
Es kann fatal sein, den sicheren Arbeitsbereich zu vernachlässigen.

Die Leistungsmerkmale von MOSFETs sind immer besser geworden – dank intensiver Entwicklungsarbeit in der Leistungselektronik. Etwas zu wenig Beachtung wurde dabei dem sicheren Arbeitsbereich geschenkt. Warum es fatal sein kann, den sicheren Arbeitsbereich zu vernachlässigen, lesen Sie hier.

In den letzten zehn Jahren hat es eine Reihe von Verbesserungen bei Leistungs-MOSFETs und den Produktionsprozessen gegeben, mit denen die MOSFET-Hersteller den Durchlasswiderstand ihrer Komponenten um den Faktor 10 verringern konnten. In Verbindung mit verbesserten Gehäusen führen diese äußerst niedrigen Durchgangsverluste dazu, dass MOSFETs der neusten Generation eine beachtliche Leistungs- und Wärmeeffizienz aufweisen.

Konsumelektronik-Hersteller profitieren enorm von diesem Fortschritt, denn er versetzt sie in die Lage, Smartphones, Media Player, drahtlose Rasierapparate und ähnliche Geräte mit längeren Akkulaufzeiten als je zuvor anzubieten. Die weiterentwickelte MOSFET-Technologie hat außerdem eine neue Generation von Produkten ermöglicht, zum Beispiel verschiedenste Arten tragbarer Elektrowerkzeuge und Elektrofahrräder.

Es hat also beim Durchlasswiderstand beachtliche Verbesserungen gegeben. Jedoch scheint dies auf Kosten des sicheren Arbeitsbereichs (Safe Operating Area, SOA) gegangen zu sein. So hebt beispielsweise die Werbeliteratur der MOSFET-Hersteller den Durchlasswiderstand und andere Parameter sehr viel deutlicher hervor als den sicheren Arbeitsbereich. Dabei ist dieser Parameter bei der Entwicklung von Schaltungen, in denen MOSFETs nicht nur kurzzeitig im linearen Bereich betrieben werden, äußerst wichtig.

Und leider führen die Techniken zur Minimierung des Durchlasswiderstands tatsächlich dazu, dass der sichere Arbeitsbereich tendenziell abnimmt. Da dies erhebliche Einschränkungen für den zulässigen Strom durch einen MOSFET mit sich bringt, ist es damit wichtiger denn je, dass Systementwickler den sicheren Arbeitsbereich im Auge behalten, wenn sie eine langfristige Zuverlässigkeit des Bausteins und des Systems, in dem der Baustein eingesetzt wird, gewährleisten wollen.

Erkennen des Gefahrenbereichs

Um zu zeigen, warum der sichere Arbeitsbereich bei einem MOSFET so wichtig ist, wird nun seine grundlegende Funktionsweise betrachtet. Ein MOSFET kann in drei Bereichen bzw. drei Betriebsarten arbeiten: im Sperrbereich, im linearen Bereich oder im Sättigungsbereich.

Der MOSFET wird durch Anlegen einer Gate-Source-Spannung UGS an das Halbleitermaterial durchgeschaltet. Unterhalb der Schwellenspannung verarmt der Kanal und es fließt kein Durchlassstrom fließen. Damit sperrt das Bauteil.

Sobald UGS die Schwellenspannung überschreitet, bildet sich eine Inversionsschicht – ein Kanal – und es kann Strom von der Senke (Drain) zur Quelle (Source) fließen, der Durchlassstrom ID. Der MOSFET arbeitet nun im linearen Bereich, in dem der Strom zur Durchlassspanung (Drain-Source-Spannung, UDS) proportional ist. In diesem linearen Bereich nehmen Strom und Spannung also im selben Verhältnis zu, und damit lässt der MOSFET zunehmend Leistung durch (Bild 1).

Bei einem bestimmten Wert von UDS flacht dieser Effekt ab: Zu Beginn nimmt die Steigung der Kurve ab, bleibt aber noch annähernd linear. Grund hierfür ist eine Vergrößerung der Verarmungszone im Bereich des Drain-Anschlusses, wodurch die Leitfähigkeit des Kanals abnimmt. An einem bestimmten Punkt wird der Kanal vollständig abgeschnürt – der MOSFET arbeitet nun im Sättigungsbereich, in dem die ID-UDS-Kurve horizontal verläuft: Ein Anstieg von UDS führt nicht mehr zu einer Zunahme des Durchlassstroms. Bild 2 zeigt, wie sich der Kanal verändert, wenn der MOSFET vom gesperrten Zustand zum vollständigen Durchlass übergeht.

Wie in Bild 1 zu sehen ist, liefert ein MOSFET seine maximale Ausgangsleistung, wenn er sich im Sättigungsbereich befindet. In Anwendungen – und davon gibt es viele –, bei denen die wichtigste Anforderung (aus Kosten- und Platzgründen) eine maximale Leistungsdichte ist, wird der MOSFET daher so häufig wie möglich im Sättigungsbereich betrieben und der lineare Bereich so weit wie möglich gemieden.
Bei Motorantrieben und Schaltnetzteilen sind schnelle MOSFETs mit sehr kurzen Anstiegszeiten beliebt, bei denen der MOSFET sehr schnell vom gesperrten Zustand durch den linearen Bereich in den Sättigungsbereich wechselt. Dazu haben die MOSFET-Hersteller erhebliche Anstrengungen unternommen, um den Durchlasswiderstand ihrer Produkte beim Betrieb im Sättigungsbereich zu minimieren.

In anderen Anwendungen ist es jedoch erforderlich, dass der MOSFET im linearen Bereich bleibt oder dass der lineare Bereich langsam durchlaufen wird. In solchen Anwendungen hat die Konzentration auf das Minimieren des Durchlasswiderstands im Sättigungsbereich einen erheblichen Nachteil, denn dadurch kann es zu einer Verkleinerung des sicheren Arbeitsbereichs im linearen Betrieb kommen. Wenn der Regelschalter in einer PoE-Spannungsversorgung (Power over Ethernet) beispielsweise als Strombegrenzer arbeitet, kann er die Schaltung im Fehlerfall oder bei hohen Einschaltströmen schützen. Hierfür ist ein längerer Betrieb – einige Millisekunden – im linearen Bereich erforderlich. Bei Lastschaltern, O-Ring-Schaltungen und im Betrieb austauschbaren Steckkarten besteht die gleiche Anforderung.