Auswahl des Steuer-FET
Die Gleichungen 2 beschreiben die Verluste im Steuer-FET, bei dem die Schaltverluste vorherrschend sind. In der Praxis muss ein günstiger Kompromiss zwischen Leitungsverlusten und Schaltverlusten geschlossen werden, da ein kleiner Anteil der Leitungsverluste von anderen Faktoren abhängt, zu denen auch das Tastverhältnis und die Schaltfrequenz gehören.
Darüber hinaus spielen auch die Eigenschaften des Gehäuses sowie dessen Einfluss auf das Layout des Reglers eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des Steuer-FET. Zum Beispiel gibt es eine Auswirkung der Source-Schaltungs-Induktivität, die davon abhängt, wie der Treiber mit dem Steuer-FET verbunden ist. Nutzt der Treiber die geringe Schleifeninduktivität gemeinsam mit dem Hochstrompfad, dann wirkt eine di/dt-induzierte Spannung in Reihe mit der
Gate-Treiber-Schleife. Diese arbeitet der Treiberspannung beim Einschalten entgegen und verhindert außerdem eine schnelle Gate-Entladung während des Abschaltens. In der Praxis kann eine Source-Schaltungs-Induktivität von nur 1 nH den Schaltverlust bei 30 A und 500 kHz um mehr als 1 W erhöhen.
Treiberverluste = Qg x UGate x f QOSS - Verluste = QOSS/2 x UIN x f Schaltverluste = QSwitch/IGate x UIN x IOUT x f Leitungsverluste = RDS x IOUT2 x D |
Gleichungen 2. Beschreibung der Verlustkomponenten bei Steuer-FETs. |
Um diesem Effekt entgegenzuwirken, lässt sich beim DirectFET-Leistungs-MOSFET-Gehäuse von International Rectifier der „Gate-Return“ als Kelvin-Kontakt getrennt zur Source-Kontaktfläche (Pad) routen und trennt auf diese Weise die Leiterplatteninduktivität von der Gate-Schleife. Ein SO-8-Gehäuse beispielsweise kann eine derart niedrige Gate-Schleifen-Induktivität wegen der spezifischen Induktivität ihrer Bonddrähte nicht erreichen.
Über die geringeren parasitären Effekte des Gehäuses hinaus bietet die DirectFET-Technologie auch eine verbesserte Wärmeleitung. Durch die Chip-Orientierung kann der Drain-Kontakt direkt mit einer oben liegenden Metallelektrode verbunden werden, was die Wärmeableitung an die Umgebung in hohem Maße verstärkt und dadurch die Wärmesättigung der Leiterplatte verhindert. Außerdem lässt sich bei Bedarf ein Kühlkörper mit der Oberseite des DirectFET-Gehäuses verbinden, um die Wärme an die Umgebung noch besser abzuführen.
Zur Erleichterung der Auswahl von Sync-FET und Steuer-FET bei der Entwicklung von Synchron-Abwärts-Schaltreglern für die niedrigen Core-Spannungen moderner Prozessoren, Speicher und FPGAs bietet IR eine Anzahl von MOSFET-Paaren an, zum Beispiel den IRF6617 und den IRF6611. Beim IRF6617 handelt es sich um einen für Steuer-FET-Anwendungen optimierten „HexFET“-Typ mit einem sehr niedrigen Qg von 11 nC für geringe Schaltverluste sowie einem RDS(on) von 8,1 mΩ bei UGS = 10 V.
Der zugehörige Sync-FET ist der IRF6611, gekennzeichnet durch einen RDS(on)-Wert von 2,0 mΩ bei UGS = 10 V, mit einem Qgd von 12 nC und
einem Ladungsverhältnis von 1,22, das eine hohe Cdu/dt-Immunität gewährleistet. Beide Bausteine setzen auf DirectFET-Packaging zur Minimierung der parasitären Gehäuseeffekte und zur höchstmöglichen Wärmeabstrahlung für eine optimale Leistung bis 20 A pro Kanal. Für höhere Leistungsanforderungen sind außerdem größere MOSFET-Chipsätze erhältlich.