Leistungs-MOSFETs
Trench ist nicht immer besser
Viele Ingenieure nehmen an, die Leistungsverluste in einem Leistungs-MOSFET seien eine direkte Funktion des Durchlasswiderstands. Das ist nicht ganz falsch, greift allerdings zu kurz.
In Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf dominieren die Durchlassverluste in der Regel tatsächlich. Doch für zahlreiche Anwendungen mit geringem bis mittlerem Leistungsbedarf ist diese Annahme unzulässig vereinfachend. In solchen Anwendungen ist es unerlässlich, auch die Schaltverluste in die Gesamt-Leistungsverluste mit einzuberechnen und die völlig unterschiedlichen Eigenschaften von Trench- und lateralen MOSFETs zu berücksichtigen. Denn »Trench« ist nicht immer besser.
Die Berechnung der Leistungsverluste in einem Schalt-MOSFET ist nicht so einfach, wie es zunächst scheinen mag. Zahlreiche Faktoren spielen dabei eine Rolle. Worin unterscheiden sich die Leistungsverlust-Charakteristiken von vertikalen Trench-MOSFETs einerseits und lateralen MOSFETs andererseits? Wie verschiebt sich bei Anwendungen mit geringem bis mittlerem Leistungsbedarf das Verhältnis von Durchlass- zu Schaltverlusten? Wie wirken sich die spezifischen Charakteristiken der verschiedenen MOSFET-Strukturen bei der Entwicklung eines energieeffizienten Designs aus?
Durchlassverluste entstehen, weil der Drain-Source-Kanal auch im durchgeschalteten Zustand einen ohmschen Widerstand hat; fließt ein Strom, entstehen also ohmsche Verluste. Dieser Durchlasswiderstand RDS(on) ist umgekehrt proportional zur Größe des MOSFETs; je größer der Schalttransistor ist, desto niedriger ist demzufolge sein RDS(on) und desto geringer sind die Durchlassverluste.
Schaltverluste sind auf parasitäre Kapazitäten im Baustein zurückzuführen. Bei Ein- und Ausschalten des Transistors müssen diese Kapazitäten geladen oder entladen werden; dadurch geht Energie verloren. Die auftretenden Schaltverluste sind proportional zur Schaltfrequenz und zur Größe der parasitären Kapazitäten. Das bedeutet: Je größer die Abmessungen eines MOSFETs sind, desto größer sind auch die Kapazitäten sowie die Schaltverluste. Die genannten Verluste stellen für Entwickler von Stromversorgungen eine Herausforderung dar.
Ein größerer MOSFET weist zwar einen kleineren Durchlasswiderstand und damit geringere Durchlassverluste auf, zugleich aber auch größere Parasitärkapazitäten und damit höhere Schaltverluste. Setzt der Entwickler einen größeren Transistor ein, um die Durchlassverluste zu verringern, steigen dadurch die Schaltverluste oft so stark an, dass sich die Verlustleistungsbilanz insgesamt verschlechtert.
Entwickler versuchen daher, die für eine gegebene Anwendung optimale Balance zwischen Durchlass- und Schaltverlusten zu finden. Viele Hersteller wenden für ihre diskreten Schalt-MOSFETs einen vertikalen Trench-Prozess an, bei dem sich die Source-Elektrode des Bauteils in der Regel auf der Oberseite und die Drain-Elektrode auf der Unterseite des Siliziumchips befindet (weshalb die metallene Befestigungslasche üblicherweise auf Drain-Potenzial liegt). Bei einem solchen Transistor fließt der Strom vertikal durch das Bauteil hindurch, daher der Name.
Trench-MOSFETs haben typischerweise einen relativ geringen Durchlasswiderstand, dafür aber große Parasitärkapazitäten zwischen Gate, Drain und Source. Andere MOSFETs am Markt basieren auf einer lateralen Architektur, bei der sich die Source- und Drain-Elektroden beide auf der Oberseite des Chips befinden und der Strom horizontal durch die Struktur fließt. Diese Bauteile haben eine weniger dichte Struktur und kombinieren moderate Werte für den Durchlasswiderstand mit relativ kleinen Parasitärkapazitäten.
Sowohl bei vertikalen als auch lateralen MOSFETs besteht ein Zusammenhang zwischen Durchlass-widerstand und Kapazität. Man muss jedoch im Auge behalten, dass die beiden Typen unterschiedliche Verhältnisse von RDS(on) pro Flächeneinheit zu Kapazität pro Flächeneinheit aufweisen; daraus ergeben sich spezifische Vor- und Nachteile.
Da Trench-MOSFETs relativ kleine Durchlasswiderstände aufweisen, können Entwickler deren höhere Schaltverluste durch den Einsatz eines größeren Transistors kompensieren. Andererseits können − bei einem gegebenen Durchlasswiderstand − die Schaltverluste eines lateralen MOSFETs weniger als halb so hoch sein wie die eines vergleichbaren Trench-MOSFETs. Dies kann die von dem höheren Durchlasswiderstand des lateralen Typs verursachten höheren Durchlassverluste wettmachen.
Schaltverluste berechnen
Die Schaltverluste setzen sich aus zwei Komponenten zusammen:
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- Einschaltverluste (Bild 1): die Energie, die zum Laden der Drain-Source-Kapazität (auch als Ausgangskapazität Coss bezeichnet) benötigt wird, und
- Umschaltverluste: die Energie, die beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand (oder umgekehrt) verloren geht.
Diese beiden Faktoren spielen insbesondere bei Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf eine wichtige Rolle. Die Einschaltverluste lassen sich nach folgender Formel berechnen:
Alle MOSFETs sind mit einer Drain-Source-Kapazität, auch Ausgangskapazität Coss genannt, behaftet. Zwar geht die darin gespeicherte Energie in jedem Zyklus verloren, doch wie viel Energie verlorengeht, hängt stark von der Struktur des MOSFETs ab. Bei lateralen MOSFETs ist Coss wesentlich kleiner als bei Trench-Typen.
Der durch den RDS(on) verursachte Verlust ist proportional zum primärseitigen Spitzenstrom. Bei diskreten Lösungen auf der Basis von Trench-MOSFETs versucht man, die relativ hohen Schaltverluste durch geringere Durchlassverluste wettzumachen. Bei kleinen Leistungen ist jedoch die maximale Schaltfrequenz solcher Designs begrenzt.
| Bauteil | RDS(on) (typ.) in Ω | C (geschätzt) in pF bei 400 V | Einschaltverluste in W |
|---|---|---|---|
| Produkt A |
2,6 |
14,5 |
0,18 |
| Produkt B | 1,0 | 56 | 0,39 |
| Produkt C | 0,9 | 28 | 0,25 |
| Produkt D | 0,54 | 40 | 0,31 |
| Produkt E |
0,6 |
125 |
0,75 |
Tabelle 1: Schaltverluste für verschiedene MOSFETs, wobei Produkt A ein lateraler MOSFET, die anderen vertikale Trench-MOSFETs sind
Tabelle 1 soll das eben gesagte veranschaulichen. Produkt A ist ein Schalt-MOSFET mit einer proprietären lateralen Struktur. Die Produkte B bis E sind Trench-MOSFETs von verschiedenen führenden Herstellern. Der RDS(on) von Produkt A ist 2,5- bis 4-mal so hoch wie bei den Wettbewerbsprodukten. Aus der Tabelle geht allerdings auch hervor, dass Produkt A bei einer Drain-Source-Spannung UDS von 400 V auch eine wesentlich kleinere Ausgangskapazität Coss aufweist als die übrigen Produkte; daraus resultieren erheblich geringere Schaltverluste.
Für die Berechnung der Schaltverluste wurden eine parasitäre Wicklungskapazität CP von 20 pF und eine Schaltfrequenz f von 65 kHz angenommen. Ein Trench-MOSFET erzielt einen niedrigen RDS(on) auf Kosten einer großen Grenzfläche zwischen Gate, Drain und Source, die mit entsprechend größeren Parasitärkapazitäten einhergeht. Im Gegensatz dazu weist ein lateraler MOSFET eine weniger dichte Struktur auf, bei welcher der Strom entlang der Oberfläche des Chips fließt. Bei dieser Struktur sind die Grenzflächen zwischen Gate, Drain und Source, und damit auch die Parasitärkapazitäten, kleiner. Auch die Umschaltverluste tragen zu den Gesamt-Schaltverlusten bei.
Wenn wir uns den Ausschaltvorgang bei einer hart schaltenden Topologie anschauen, stellen wir fest, dass der Strom nicht abrupt auf null abfällt, sondern der Kanal noch eine Zeit lang leitet; mit zunehmendem Kanalwiderstand steigt die Spannung über dem Drain-Source-Kanal des MOSFETs an, dadurch entsteht ein Umschaltverlust. Dieser ist von der Schaltgeschwindigkeit des MOSFETs (Gate-Widerstand, Gate-Source-Kapazität und Gate-Drain-Kapazität) abhängig.
Die gleiche Gate-Treiberschaltung vorausgesetzt, gehen laterale MOSFETs schneller in den Aus-Zustand über und weisen dadurch geringere Umschaltverluste auf. Geringere Umschaltverluste tragen in mehrfacher Hinsicht zu geringeren Gesamtverlusten bei. Beispielsweise benötigen MOSFETs mit einer lateralen Struktur zum Einschalten eine wesentlich kleinere Gate-Ladung.
| Bauteil | RDS(on) (typ.) in Ω | UGS in V | QGS in nC (normiert auf 1 Ω) | QGD in nC (normiert auf 1 Ω) | QG in nC (normiert auf 1 Ω) |
|---|---|---|---|---|---|
| Produkt A |
2,6 |
6 |
1,3 |
7,5 |
15,3 |
| Produkt B |
1,0 |
10 |
6 |
17 |
33 |
| Produkt C |
0,9 |
10 |
4,5 |
10,8 |
27 |
| Produkt D |
0,54 | 10 |
4,32 |
10,26 |
22,68 |
| Produkt E |
0,6 |
10 |
4,02 |
11,1 |
26,4 |
Tabelle 2: Ladungscharakteristiken, bedingt durch parasitäre MOSFET-Kapazitäten, wobei Produkt A ein lateraler MOSFET, die anderen vertikale Trench-MOSFETs sind
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, schaltet das Produkt A schon bei einer Gate-Source-Spannung von 6 V voll durch; vergleichbare Trench-Typen schalten hingegen erst bei 10 V voll durch. Dadurch, dass der laterale MOSFET schon bei einer niedrigeren UGS voll durchschaltet, verringern sich bei ihm im Vergleich zu Trench-Typen die Verluste im Gate-Treiber, außerdem wirkt sich das auf die Einschaltzeiten des Transistors aus.
Beispielsweise beträgt beim Produkt A die auf einen RDS(on) von 1 Ω normierte Gate-Source-Ladung QGS 1,3 nC. Die QGS-Werte vergleichbarer Trench-Typen liegen zwischen 4,02 nC und 6 nC. Ähnlich groß sind die Unterschiede bei der Gate-Drain-Ladung QGD und der Gate-Gesamtladung QG.
- Trench ist nicht immer besser
- Besonderheiten bei kleinen Leistungen
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