Startseite > Halbleiter > Leistungshalbleiter > Mit dem richtigen MOSFET Schaltnetzteil-Verluste verringern

Schuld ist nur der Durchlasswiderstand?

Mit dem richtigen MOSFET Schaltnetzteil-Verluste verringern

10. August 2017, 3:00 Uhr | Von Marty Brown

In einem typischen Schaltnetzteil ist der MOSFET für den größten prozentualen Anteil der Verluste verantwortlich. Durch eine Analyse von Verhalten und Leistung des MOSFET, lässt sich der Wirkungsgrad des Netzteils im zu erwartenden Betriebsbereich erheblich verbessern.

▶ Diesen Artikel anhören

Bei der Auswahl des am besten geeigneten MOSFET für eine Schaltnetzteilkonstruktion sind viele Aspekte zu berücksichtigen. Eine gängige Meinung ist, dass die Wahl des MOSFET mit dem kleinsten Durchlasswiderstand R_DS(on) zum Netzteil mit dem höchsten Wirkungsgrad führt. Zwar hat der R_DS(on) sicherlich eine Auswirkung auf den Wirkungsgrad, doch müssen auch andere Parameter berücksichtigt werden. Um den optimalen MOSFET für ein Schaltnetzteil zu finden, ist es wichtig, über ein grundlegendes Verständnis zum Aufbau eines MOSFET zu verfügen sowie die Auswirkungen verschiedener voneinander abhängiger Parameter auf ein Netzteil zu kennen.

Entwickler von Stromversorgungen sind mit den Bedingungen und Grenzwerten vertraut, unter denen ihr Netzteil eingesetzt wird – Eingangsspannung, Last, Temperatur etc. Sie sollten idealerweise aber auch wissen, in welchem Betriebsbereich das Netzteil mehr als 90 % seiner Lebenszeit verbringen wird. Denn nur dann lässt sich das bestmögliche Design zu den geringstmöglichen, angemessenen Kosten
realisieren.

Jobangebote+ passend zum Thema

MACNICA ATD EUROPE - Ihre berufliche Zukunft

MACNICA ATD Europe GmbH, Ingolstadt

Trainee Vertrieb und Produktmanagement (m/w/d) für Berufs- und Quereinsteiger

GLYN GmbH & Co. KG, Idstein

Auszubildende zum Kaufmann für Groß- und Außenhandelsmanagement (m/w/d) FR Großhandel mit dem Schwerpunkt Vertrieb

GLYN GmbH & Co. KG, Idstein

Alle Jobangebote im Elektroniknet Karrierebereich anzeigen

Planar- versus Superjunction-MOSFET

Heute sind Silizium-MOSFETs im Wesentlichen in zwei Hauptkategorien unterteilbar: in Planar- und/oder Trench-MOSFETs sowie Superjunction-MOSFETs. Bei planaren MOSFETs liegt die aktive Region in der Nähe der Die-Oberfläche, wie in Bild 1 zu sehen ist. Zur Verringerung des Durchlasswiderstands R_DS(on) ist zusätzliche Chipfläche erforderlich. Um die Spannung des MOSFET zu erhöhen, muss die Chip-Dicke vergrößert werden.

Der Superjunction-MOSFET nutzt die vorhandene Chip-Dicke zur Vergrößerung des Kanalbereichs, was dessen R_DS(on) für eine gegebene Chipfläche beträchtlich verringert. Der Kanal des Superjunction-MOSFET liegt im Die, anstatt sich nur auf oder in der Nähe der Oberfläche zu befinden. Dies führt zu einer beträchtlichen Vergrößerung des Leitungsbereichs innerhalb einer weitaus kleineren Oberfläche. Der Superjunction-MOSFET ist in Bild 2 zu sehen.

Das Ergebnis ist ein deutlich geringerer Einschaltwiderstand. Dies führt für alle Nennströme zu einer kleineren Chipfläche im Vergleich zum Planar-MOSFET. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass sich weitaus geringere parasitäre Kapazitäten mit höheren Schaltgeschwindigkeiten erreichen lassen.

In Tabelle 1 werden die wesentlichen Parameter eines Standard-Planar-MOSFET mit den Parametern eines Superjunction-MOSFET von D3 Semiconductor verglichen. Die in der Tabelle gezeigten Bauteile besitzen nahezu identische Drain-Source-Spannungen und Drain-Ströme.

Der R_DS(on) und die störenden parasitären Kapazitäten (C_iss, C_rss) sind beim Superjunction-MOSFET deutlich geringer; die Schaltzeiten sind dreimal so schnell (t_rise, t_fall). Besonders bemerkenswert ist aber, dass die freie Chipfläche des Superjunction-MOSFET nur ein Drittel der freien Oberfläche des planaren MOSFET beträgt.

Teilenummer	Gehäuse	U_DSS	I_Dbei 100 °C	I_Dbei 25 °C	Q_g	t_rise	t_fall	C_iss	C_rss	R_DS(on)	E_as	P_D	θ_jc
XXX10N60	T0-220FP	600 V	6,0 A	10,5 A	47 nJ	31,0 ns	23,0 ns	1373 pF	35 pF	650 mΩ	300 mJ	39 W	3,2 °C/W
D3S340N65	T0-220	650 V	7,3 A	11,4 A	<25 nJ	9,0 ns	6,4 ns	940 pF	1,3 pF	<340 mΩ	200 mJ	160 W	5,3 °C/W