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Betrieb von Trench-Power-MOSFETs im Linearbereich

Transistor am Limit

23. Februar 2012, 17:26 Uhr | Dr. Felix Hüning

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SOA-Diagramme legen die Grenzen fest

Die in den Datenblättern angegebenen SOA-Diagramme stellen dabei das zentrale Hilfsmittel für die Beurteilung dar, ob der jeweilige Linearbetrieb zulässig ist. Bild 1 zeigt beispielhaft die maximal zulässigen Werte des Drain-Stroms in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung, wenn der Leistungs-MOSFET dauerhaft im Linearmodus betrieben wird (DC-Fall). Ein Betrieb unterhalb dieser SOA-Kurve ist für den Trench-Power-MOSFET unkritisch und ohne Einschränkungen möglich, vorausgesetzt, dass die begrenzenden Faktoren für die SOA-Kurve im Datenblatt korrekt angegeben werden:

On-Widerstands-Limit (R_DS(on)-Limit): Der maximale Strom für eine gegebene UDS wird durch R_DS(on) des Bauteils begrenzt. Diese Grenze kann daher durch die intrinsische Eigenschaft nicht überschritten werden.
Gehäuse-Limit (I_D(DC)): In diesem Bereich ist die maximale Stromtragfähigkeit des Gehäuses der begrenzende Faktor.
Verlustleistungslimit (Power Dissipation Limit): Die maximale Kanaltemperatur der Leistungs-MOSFETs (in der Regel 175 °C) darf nicht überschritten werden. Da die am Leistungs-MOSFET abfallende Verlustleistung zu einer Erhöhung der Kanaltemperatur führt, muss die Verlustleistung begrenzt werden, um dieses Limit nicht zu überschreiten.
Hot-Spot- oder Spirito-Limit (Secondary Breakdown Limit): Durch minimale Inhomogenitäten, z.B. in der Zellstruktur des Chip oder durch Lunker im Lot, kann die Stromverteilung über den Chip ungleichmäßig sein, so dass einzelne Zellen des Chip einen größeren Strom tragen und somit heißer als die umgebenden Zellen werden. Diese thermische Instabilität kann dazu führen, dass die Temperatur der betroffenen Zellen weit über die maximal zulässige Kanaltemperatur ansteigt und das Bauteil zerstört wird. Dieser Spirito-Effekt [1] kann für größere I_D/U_DS-Kombinationen auftreten und muss bei der Erstellung der SOA berücksichtigt werden. Oberhalb der dargestellten Linie kann der Spirito-Effekt auftreten, unterhalb der Linie treten keine Hot-Spots auf, es gibt keine thermische Instabilität und keine Zerstörung des Bauteils.
Durchbruchspannung: Gegeben durch die spezifizierte Durchbruchspannung des Bauteils.

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Sind diese Grenzen, insbesondere auch das Spirito-Limit, korrekt in den Datenblättern berücksichtigt, kann die Einsatzmöglichkeit des Bauteils im Linearbetrieb beurteilt werden. Generell steht dem Einsatz von Trench-Power-MOSFETs in Applikationen mit Linearbetrieb nichts entgegen. Auch für den DC-Betrieb sind diese Bauteile geeignet.

Als zusätzliche Parameter haben die Zeit, die sich das Bauteil im Linearmodus befindet, sowie die Umgebungstemperatur Ta einen großen Einfluss auf die SOA-Kurve.

Bild 2a zeigt das komplette SOA-Diagramm des Trench-Power-MOSFETs NP109N04PUJ von Renesas bei Raumtemperatur und für verschiedene Zeitskalen des Linearbetriebs. Deutlich ist zu erkennen, dass sich die SOA für kürzere Zeiten vergrößert und höhere I_D/U_DS-Kombinationen zulässt.

Dagegen wird die SOA durch höhere Umgebungstemperaturen verkleinert, da die maximale Verlustleistung durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur verringert wird. Dieser Effekt wird in Bild 2b für eine Umgebungstemperatur T_a von 125 °C dargestellt. Durch die Begrenzung der maximalen Verlustleistung verschieben sich die Kurven zu kleineren Werten.

Da Zeit und Umgebungstemperatur entscheidende Größen bei der Betrachtung des Linearbetriebs darstellen, sollen im Folgenden Beispiele betrachtet werden, die sowohl unterschiedliche Zeitskalen als auch Umgebungstemperaturen betrachten: