Startseite > Halbleiter > Leistungshalbleiter > Niederinduktiver Aufbau steigert Wirkungsgrad

Schnell schaltende Bauelemente

Niederinduktiver Aufbau steigert Wirkungsgrad

17. November 2014, 8:50 Uhr | Ralf Higgelke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Folgerungen für den Einsatz

Um nun den Einfluss von L_G und L_couple gezielt zu separieren, sind in den Bildern 4a und 4b die Schaltkurven für konstantes, minimales L_couple mit steigendem LG (Bild 4a) und konstantes, maximales L_G mit steigendem L_couple (Bild 4b) dargestellt. Im Teilbild a wird L_G von 26 nH bis 58 nH variiert, wodurch sich E_ON von 0,4 mJ auf 0,39 mJ verringert. Damit einhergehend steigt die Rückstromspitze I_peak leicht von 113 A auf 116 A. Im Teilbild b wird L_couple von 3,5 nH bis 14 nH erhöht. Dadurch verringern sich die Oszillationen sowohl bei V_DS als auch I_D, was direkt mit einer reduzierten Schaltgeschwindigkeit korreliert. Hieraus folgt wiederum, dass die Einschaltverluste von 0,39 mJ auf 176 mJ steigen, I_peak jedoch von 116 A auf 70 A sinkt. Bemerkenswert hierbei ist die erneute Spannungsaufnahme des Bauelements direkt nach dem Einschalten, die insbesondere für großes L_couple dominant wird.

Folgerungen für den Einsatz

Die abrupte Zunahme der Einschaltverluste lässt sich wie folgt erklären: Das dI_D/dt im Lastkreis führt während des Schaltvorgangs zu einem Spannungsabfall über L_couple, wodurch V_GS sinkt. Zusätzlich findet eine Rückkopplung des dV_DS/dt aus dem Lastkreis über C_DG auf das Gate statt. Beide Vorgänge verringern V_GS und führen, sobald V_GS unter die Schwellspannung fällt, dazu, dass das Bauteil während des Einschaltvorgangs abrupt abschaltet. Dieses abrupte Abschalten ist durch ein kurzes Ansteigen von V_DS während des Einschaltvorgangs gekennzeichnet (mit rotem Kreis markierte Stellen in Bild 4b). Hierdurch reduziert sich die Schaltgeschwindigkeit, was gleichzeitig zu einem geringeren I_peak (Bild 4b) führt und die Schaltverluste signifikant ansteigen lässt.

Bei schnellschaltenden Bauelementen ist der Einfluss von parasitären Induktivitäten auf das Schaltverhalten zu berücksichtigen. Denn diese sind durch Rückkopplung aus dem Last- in den Gate-Kreis im Bauteil vorgegeben. Steilere Schaltflanken vergrößern den Einfluss der Rückkopplung, wobei hohe Streuinduktivitäten zusätzlich dazu beitragen. Somit ergibt sich die direkte Forderung, schnellschaltende Bauelemente nur in niederinduktiven Aufbauten zu betreiben. Hierdurch verringert sich der durch Streuinduktivitäten bedingte Anteil an der Rückkopplung und die Schaltverluste steigen nicht an. Nur wenige auf dem Markt befindliche Module ermöglichen durch einen niederinduktiven Modulaufbau, diese möglichst nah an der Applikation zu verbauen. Die Produktlinien »Easy 1B« oder »Easy 2B« von Infineon erfüllen diese Anforderung und weisen darüber hinaus eine recht hohe Flexibilität bezüglich der Pin-Position, deren Belegung und der implementierten Schaltung auf.

Vorteile niedriger parasitärer Induktivitäten

Unabhängig von dieser Forderung kann das gezielte Implementieren von kleinen Induktivitäten zu Vorteilen bei der Parallelschaltung von mehreren Bauelementen oder bei der Beherrschung von extremen Operationsbedingungen führen, zum Beispiel bei Kurzschluss. Hier ist darauf zu achten, dass die integrierten Induktivitäten nicht dazu beitragen, dass die Schaltverluste massiv steigen. Insbesondere bei der Verwendung von diskreten Produkten liegt hier der Fokus auf einem geeigneten und optimierten PCB-Layout, da dieses maßgeblich L_G, L_S und L_couple definiert.

Bei der Anwendung von schnellschaltenden Bauelementen ist zudem wichtig, dass nicht nur parasitäre Induktivitäten, sondern auch externe Parameter wie beispielweise der Gate-Widerstand die Schaltverluste bestimmen. Hierbei hat R_G eine vergleichbare Wirkung wie L_G und kann in Kombination mit L_couple dazu führen, dass die Schaltverluste abrupt und stark ansteigen. Die Schaltgeschwindigkeit über den Gate-Widerstand zu steuern ist somit nur eingeschränkt möglich und zielführend. Für Anwendungen, die eine derartige Reduzierung der Schaltgeschwindigkeiten benötigen, sind somit alternative Ansätze wie beispielsweise eine optimierte Gate-Treiberansteuerung vorzuziehen.