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Geringe Belastung durch Spannungsspitzen

Neue 100-V-Leistungs-MOSFET-Technologie

11. November 2016, 0:00 Uhr | Von Jon Gladish und Mike Speed

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Neue MOSFET-Technologie

Die neueste Generation von Fairchilds 100-V-MOSFET-Technologie fokussiert auf die Optimierung der MOSFET-Charakteristik für Leistungs-Schaltstufen. Sie erreicht eine sehr gute Gütekennzahl (Figure of Merit, FOM) für das Produkt aus Durchlasswiderstand und gesamter Gate-Ladung R_DS(ON) x Q_G(TOT) = 164 mΩ∙nC sowie die nach Fairchilds Angaben führende Recovery-Charakteristik der Body-Diode. Der Recovery-Verlauf der Diode ist über einen weiten Betriebsstrombereich optimiert. Das gilt sowohl für die Recovery-Ladung, als auch die Sanftheit des Recovery-Verhaltens

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Einen Vergleich der neuesten Technologie von Fairchild anhand des Bausteins FDMS86182 mit einer Wettbewerbslösung zeigt Tabelle 1. Die gemessene Recovery-Charakteristik der Diode ist in Bild 3 dargestellt. Die Recovery-Verläufe der Body-Diode demonstrieren den reduzierten Q_RR-Wert und den optimierten Softness-Faktor S des FDMS86182 gegenüber dem Wettbewerbsprodukt.

Zum Aufzeigen der Vorteile von Fairchilds aktueller 100-V-MOSFET-Technologie wurde der FDMS86182 auf sein thermisches Verhalten und die Leistungsverluste im Vergleich zu einem Wettbewerbsprodukt getestet. Dazu wurde ein Synchron-Abwärtswandler (buck converter) herangezogen. Bild 4 zeigt diese Anordnung.

Der synchrone Abwärtswandler bietet eine einfache und passende Topologie zur Evaluierung von MOSFETs, die als Synchrongleichrichter eingesetzt werden. Der Test war so angelegt, dass der FDMS86182 als High-Side-FET (HS-FET) festgelegt wurde. Als Low-Side-FET (LS-FET) wurde der FDMS86182 gegen das Wettbewerbsprodukt ausgetauscht. Das ergab folgenden Ablauf: Test 1 mit FDMS86182 (HS-FET) und FDMS86182 (LS-FET), Test 2 mit FDMS86182 (HS-FET) und Wettbewerbsprodukt (LS-FET). Die Evaluierung fokussiert auf den Betrieb als Synchrongleichrichter.

Die Test-Bedingungen waren: V_IN = 48 V, V_OUT = 12 V, L_out = 10 µH, R_{g_HS} = 0 Ω, R_{g_LS} = 0 Ω, F_sw = 250 kHz und 500 kHz, T_A = 25 °C (natürliche Konvektionskühlung). Als Gate-Treiber kam der UCC27201 zum Einsatz.

Wie bereits erwähnt spielt die Recovery-Charakteristik der Body-Diode eine bedeutende Rolle für das Switch-Node- (SW node) Überschwingen. Dabei generiert eine harte oder “snappige” Recovery-Charakteristik hohe Spannungsspitzen am LS-FET-Drain-Source-Übergang (oder SW node). Eine einfache Methode zur Begrenzung des SW-Überschwingens ist die Abflachung der Einschaltflanke des HS-FET [1]. Das Verlangsamen der LS-FET-Erholung (di_F/dt und di_R/dt) resultiert in geringerem SW-Überschwingen. Flachere Schaltflanken des MOSFET reduzieren die Belastung durch Spannungsspitzen und Überschwingen, sie führen andererseits aber auch zu höheren Schaltverlusten des MOSFET [1].

Eine einfache Methode zum Herabsetzen der Einschaltgeschwindigkeit des HS-FET ist das Vergrößern des Boot-Widerstands. R_Boot lässt sich variieren durch Einstellen des Switch-Node- (SW) Überschwingens auf eine akzeptable Höhe. R_Boot wurde so gewählt, dass er das SW-Überschwingen (über R_{g_HS}) begrenzt. Das Vergrößern von R_Boot verlangsamt nur das Einschalten des HS-FET, während es weiterhin das schnelle Abschalten erlaubt.

In diesem Experiment war das Überschwingen der SW-Spitzenspannung auf bis zu 90 V bei 18 A (90 % des 100-V-BV_DSS-Pegels) erlaubt. Dazu wurde für RBoot beim Wettbewerbsprodukt 2,5 Ω gewählt, und 0,5 Ω beim FDMS86182. Der FDMS86182 erfordert einen kleineren Boot-Widerstand, da seine Body-Diode mit ihrer wesentlich sanfteren Recovery-Charakteristik dem Wettbewerbsprodukt deutlich überlegen ist. Das bedeutet, die Soft-Recovery-Diode des FDMS86182 erzielt mit ihrem niedrigen Q_RR einen geringeren Verlust bei höherer Schaltgeschwindigkeit des HS-FET. Die Vorteile des überlegenen Recovery-Verhaltens der Body-Diode zeigen sich in wesentlich geringeren Leistungsverlusten und niedrigeren Arbeitstemperaturen im Vergleich zum Wettbewerbsprodukt. Die Kurven für den Leistungsverlust sind in Bild 5 zu sehen.

Der FDMS86182 erreicht nahezu 2 W an Leistungseinsparung und eine um 17 °C niedrigere Temperatur an der Oberseite des MOSFET-Gehäuses gegenüber dem Wettbewerbsprodukt bei I_OUT = 18 A und F_SW = 250 kHz. Ähnliche Resultate wurden bei _IOUT = 12 A und F_SW = 500 kHz gemessen.

Literatur

[1] Fairchild AN-4162: Switch Node Ring control in Synchronous Buck Regulators.

Die Autoren