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MOSFETs auswählen

Was man wissen muss

7. März 2007, 10:07 Uhr | Von Jonathan Harper und Enrique Rodriguez

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Thermische Anforderungen und dynamische Kennwerte

Der dritte Schritt bei der Auswahl eines MOSFETs besteht darin, die thermischen Anforderungen des Systems zu berechnen. Hierbei muss ein Entwickler zwei verschiedene Szenarien in Betracht ziehen: den schlimmsten Fall und den realistischen Fall. Zu empfehlen wäre hierbei, vom schlimmsten Szenario auszugehen, da dieses eine höhere Sicherheit bietet und einem Systemausfall besser vorbeugen kann.

Im Datenblatt zum MOSFET sind einige obligatorische Messungen festgeschrieben, unter anderem des thermischen Widerstands »Sperrschicht zu Umgebung« für die Baugruppe und der maximalen Temperatur der Sperrschicht (Bild 5).

Die Sperrschichttemperatur des Bausteins entspricht der maximalen Umgebungstemperatur plus dem Produkt aus thermischem Widerstand und Verlustleistung (T_J = T_amb,max + R_th · P_V). Durch Umstellen dieser Gleichung kann man nach der maximalen Verlustleistung im System auflösen, die laut Definition ebenfalls I² · R_DS(ON) entspricht. Da ein Entwickler die maximale Stromstärke kennt, die den Baustein durchfließen kann, kann er auch den Durchlasswiderstand unter Einbeziehung der Temperaturschwankungen berechnen.

Es ist wichtig zu wissen, dass ein Entwickler beim Erstellen einfacher thermischer Modelle die Wärmekapazitäten »Sperrschicht zu Gehäuse« und »Gehäuse zu Umgebung « berücksichtigen muss. Berücksichtigen bedeutet hier, dass es nicht unmittelbar zu einer Erwärmung von Leiterplatte und Gehäuse kommen darf.

Zu einem Avalanche-Durchbruch kommt es, wenn ein Halbleiterbaustein oberhalb seiner maximalen Sperrspannung betrieben wird. Dabei bildet sich ein starkes elektrisches Feld, das zu erhöhtem Stromfluss führt. Dieser Strom erzeugt Verluste, erhöht die Temperatur und kann den Baustein sogar zerstören. Halbleiterhersteller führen mit ihren Bausteinen Avalanche-Tests durch, um auf deren Grundlage die Avalanche-Werte zu berechnen. Ebenfalls gemessen wird bei solchen Tests die Robustheit des entsprechenden Bausteins gegenüber diesem Effekt.

Zwei Methoden stehen für die Berechnung der Nennwerte zur Verfügung: der statistische und der thermische Ansatz. Die thermische Berechnung ist weit verbreitet, da sie einen praxisbezogenen Ansatz darstellt. Zahlreiche Unternehmen geben Einzelheiten zu den Testreihen mit ihren Bausteinen [1] bekannt. Auch die verwendete Prozesstechnik beeinflusst diesen Effekt in großem Maße. Beispielsweise führt eine Die-Vergrößerung zu erhöhter Avalanche-Festigkeit, durch die sich letztendlich auch die Robustheit des Bausteins erhöht. Für den Endverbraucher bedeutet dies, dass eine größere Baugruppe im System verwendet wird.

Dynamische Kennwerte

Der letzte Schritt bei der Entscheidung für einen bestimmten MOSFET besteht darin, die »Switching Performance « des MOSFET zu bestimmen. Zahlreiche Parameter beeinflussen die dynamischen Kennwerte, wobei die wichtigsten die Gate- Drain-, die Gate-Sourceund die Drain-Source-Kapazitäten sind. Diese parasitären Elemente verursachen Schaltverluste im Baustein, da in jedem Schaltzyklus Energie zum Aufladen benötigt wird. Die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET verlangsamt sich und die Effizienz des Bausteins wird reduziert.

Um den Gesamtverlust eines Bausteins während des Schaltens zu berechnen, muss ein Entwickler die Verluste beim Ein- und Ausschalten mit einrechnen. Die gesamten Schaltverluste eines MOSFETs lassen sich mithilfe der folgenden Gleichung berechnen: P_sw = (E_on + E_off) · Frequenz. Dabei hat die Gate-Ladung Q_gd einen großen Einfluss auf die Switching- Performance.

Diese Switching-Performance ist von hoher Wichtigkeit. Daher sind neue Halbleiterprozesse in der Entwicklung, welche das Problem mit dem Ein- und Ausschalten lösen sollen. Bei einer Die-Vergrößerung erhöht sich gleichzeitig die Gate-Ladung, was wiederum zu größeren Bausteinen und größeren Schaltverlusten führt. Um diese Verluste zu minimieren, werden neue Prozesse wie zum Beispiel die Trench-Technik »Trench Thick Bottom Oxide« mit der Zielvorgabe entwickelt, die Q_gd zu verringern.

Neue Techniken wie zum Beispiel SuperFET minimieren den Durchlassverlust und verbessern die Switching- Performance durch Verringern von R_DS(ON) und Gateladung. Dies ermöglicht es solchen MOSFETs, schnellen Spannungs- (dv/dt) und Stromtransienten (di/dt) während des Schaltens standzuhalten, sodass sie auch bei höheren Frequenzen zuverlässig arbeiten.

Ein Entwickler kann, wenn er die Unterschiede zwischen den MOSFET-Typen kennt und ihre wichtigsten Leistungsmerkmale verstanden hat und bestimmen kann, den richtigen MOSFET für ein konkretes Design auswählen. Da MOSFETs grundlegende Bestandteile elektrischer Systeme darstellen, steht und fällt mit der Auswahl des richtigen MOSFETs der Erfolg eines ganzen Designs.

Die Autoren: Jonathan Harper ist Market Development Manager, Enrique Rodriguez ist Technical Marketing Engineer bei Fairchild Semiconductor

Weiterführende Literatur:

[1] Application Note (AN-9034): »Power MOSFET Avalanche Guidelines« von Fairchild Semiconductor. www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9034.pdf#page=1 [PDF]