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Passive Komponenten für Industrie 4.0

Leistungselektronik erfordert optimierte Widerstände

23. September 2015, 11:19 Uhr | Ove Hach

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Kleinere Bauformen

Ein weiterer Innovationstrend bei Widerständen für Leistungselektronik ist die Miniaturisierung. Dabei sprechen wir nicht von den kleinsten SMD-Widerständen der Welt, sondern über einen adäquaten Ersatz eines großen SMD-Bauelements durch eine kleinere SMD-Bauform. So hat sich etwa die Dickschichtserie CRCW-HP seit Jahren am Markt bewährt. Als nächster konsequenter Entwicklungsschritt wurde nun ein Widerstand mit der Bauteillänge eines 0402-Widerstands, jedoch mit der dreifachen Breite geschaffen. Es entstand die Bauform 0406, die einen 1206-Chip-Widerstand hinsichtlich der Verlustleistung 1 zu 1 ersetzen kann. Je nach Anforderungen der Anwendung ist eine Dickschicht-Version mit der Bezeichnung RCL 0406 e3 und Dünnschicht-Versionen vom MCW 0406 (Professional und Precision) verfügbar.

Eine entsprechende Miniaturisierung findet auch im Bereich der SMD-Strommesswiderstände statt. Hier kommen durch neue Fertigungstechnologien kleinere Baugrößen mit höheren Belastungen zum Einsatz, wie der WSLP mit Ohmwerten von bis zu 0,0003 Ω bzw. mit Toleranzen von bis zu ±0,5 %. Bei der Messung eines Stroms über einen Shunt-Widerstand sind die Spannungsabfälle über dem Mess-Widerstand sehr klein. Es ist notwendig, diese kleinen Spannungen zu verstärken und zu filtern, bevor sie den A/D-Wandler erreichen.

Wie beim Spannungsteiler sind die Widerstände für einen Operationsverstärker entsprechend dem Temperatureinsatzbereich und der Auflösung eines A/D-Wandlers auszuwählen. Um die Abhängigkeit der Verstärkung eines beschalteten Operationsverstärkers vom Temperaturgang des Gegenkopplungsnetzwerkes zu minimieren, sind Widerstände mit möglichst gleichen Temperaturkoeffizienten auszuwählen und räumlich nahe beieinander einzusetzen.

Eine einfache Möglichkeit ist die Verwendung von Widerstandsnetzwerken in Dünnschicht, deren Widerstände über einen spezifizierten Gleichlauf der Temperaturkoeffizienten verfügen (TK-Tracking) und auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Aufgrund des gemeinsamen Substrats und der sich dadurch ergebenen Temperaturgleichverteilung ist das Alterungsverhalten der Widerstände nahezu identisch, so dass die Verstärkung eines beschalteten Operationsverstärkers von der Alterung des Netzwerks fast unbeeinflusst bleibt. Das Dünnschicht-Netz vom Typ ACAS 0606/0612 AT bietet in der Genauigkeitsklasse U einen Gleichlauf der Temperaturkoeffizienten von ±5 ppm/K bei einem Verhältnis der Widerstandswerte von 1 zu 20.

Damit liegen nun die wichtigsten elektrischen Daten über den Betriebszustand der Leistungselektronik der Steuerung vor, und entsprechend der Programmierung wird der Aktor digital angesteuert (PWM), entweder über eine Halbbrücke, eine B4-Brücke oder eine B6-Brücke. Leistungshalbleiter, seien es MOSFETs oder IGBTs, verfügen heute über bessere Eigenschaften, um Leistung möglichst verlustarm zu schalten, als noch vor einigen Jahre. Bei Leistungsanwendungen, in denen ein zusätzlicher Gate-Vorwiderstand notwendig ist, sollte die Verlustleistung des Widerstands mindestens dem der Treiberleistung entsprechen. Auch wenn die Ladungsmengen zum Schalten der Gates und die ON-Widerstände der Halbleiter immer geringer werden (FOM = Figure of merit), sollte der Hardwareentwickler auf jeden Fall die Spitzenströme aus dem Treiber beachten, die zum Laden und Entladen der Gate-Kapazität benötigt werden.

Je nach Halbleiter-Typ und -Art können hier Spitzenströme von bis zu 10 A für 200 ns auftreten. Damit entstehen am Gate-Vorwiderstand Spitzenleistungen von bis zu 200 W. Da diese hohe Leistung nur über einen sehr kurzen Zeitraum auftritt, machen sich die thermischen Verhältnisse innerhalb des Widerstands bemerkbar. Während des Impulses wird die Energie nur in der Widerstandsschicht in Wärme umgesetzt und erst später an das gesamte Bauelement bzw. Umgebung geleitet. Deshalb sollte die Widerstandsschicht eines Gate-Vorwiderstands aus einem sehr robusten Material bestehen und über ein optimales Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis sowie über eine homogene Abgleichstruktur verfügen. Für ein Optimum eines solchen Bauelements stehen die MELF-Serien von Draloric/Beyschlag wie etwa MMA 0204 und SMM 0204 zur Verfügung.  Durch ihre zylindrische Konstruktion steht im Vergleich zu einem 1206-Chipbauelement eine deutlich größere Oberfläche zur Verfügung. Ihre NiCr-Legierung und das individuelle Abgleichen mittels eines Lasers ermöglicht eine sehr hohe Impulsbelastbarkeit. Das hilft, die Anzahl der Widerstände am Gate zu minimieren. Datenblätter zeigen die Impulsbelastbarkeit der MELF-Serien über den gesamten Wertebereich einer Baugröße. Die individuelle Impulsbelastbarkeit eines jeweiligen Widerstandwerts kann weit über den Angaben des Datenblatts liegen.

derungen bei den Widerständen nicht berücksichtigt, kann es zu einer Überlastung von zu langsam schaltenden Halbleiter-Bauteilen kommen.

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Stabilität und Driftverhalten der Gate-Vorwiderstände ist bei der immer häufiger nötigen Parallelschaltung von Halbleitern in Leistungsmodulen von großer Bedeutung, um die optimal gleichmäßige Ansteuerung beim Ausschalten zu realisieren. Werden diese Anforderungen bei den Widerständen nicht berücksichtigt, kann es zu einer Überlastung von zu langsam schaltenden Halbleiter-Bauteilen kommen.

Ove Hach ist Senior Manager Product Marketing der Draloric / Beyschlag Division von Vishay.