Neue MOSFETs für grüne DC/DC-Wandler

Typische Streuinduktivitäten

Die An- und Abschaltverluste des Leistungs-FET ergeben sich aus den Schaltzeiten und der resultierenden Überlappung von Strom und Spannung. Im Fall sehr schneller Leistungstransistoren kann entlastetes Anschalten für den Leistungs-FET erreicht werden. Schaltet der FET schnell genug, so klemmen die in den Gehäusen und in den Leiterbahnen vorhandenen Induktivitäten die Spannung über den Leistungs-FET während der Stromkommutierung auf 0 V. Ist der FET vollständig eingeschaltet bevor die Stromkommutierung abgeschlossen ist, so wurde ein entlastetes Schalten erreicht, mit vernachlässigbaren Anschaltverlusten. Kriterium hierbei ist, dass die Ladezeit der Gate-Drain-Ladung (Q_GD) kleiner ist als die Stromkommutierungszeit t_k = U / L_Streu ΔI; wobei U die Eingangsspannung ist, L_Streu die Induktivität im Stromkreis „Eingangskondensator – Leistungs-FET – Gleichrichter-FET“ und ΔI der Stromhub während der Kommutierung.

Die Gate-Drain-Induktivität eines DPak-Gehäuses (TO252) liegt bei etwa 5 nH, typische Streuinduktivitäten für Abwärtswandler mit D-Paks liegen daher bei 12 bis 25 nH [1]. Entlastetes Schalten erreichen heute die meisten Wandlerschaltungen mit FETs in diesen Gehäusen. Moderne Leistungstransistorgehäuse – wie das SuperSO8 – reduzieren aufgrund ihrer kleineren Abmessungen und fortschrittlichen Verbindungstechnik die Gehäuseinduktivität auf unter 1 nH. Die Einschaltverluste beschränken sich hier auf die Entladung der in der Ausgangskapazität des Steuer-FET gespeicherten Energie.

Auch für die Abschaltverluste bedeutet eine induktiv begrenzte Kommutierung einen Vorteil. Nur die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie muss in Wärme umgewandelt werden – erreichbares Minimum auch für alle anderen Abschaltvorgänge. Die minimale Abschaltenergie beträgt somit E_aus = ^1/2 × L_Streu × I_aus 2, mit I_aus als den Strom durch den Leistungs-FET zum Zeitpunkt des Abschaltens. In Bild 2 ist die Verteilung der Verluste für die MOSFETs in einem Abwärtswandler gezeigt. Die ersten zwei Paare (bestimmt für U_E = U_GS = 12 V) verdeutlichen den Einfluss der Induktivität auf die Verlustleistung. Beide Versionen wurden für einen 13-mΩ-Leistungs-FET und einen 3-mΩ-Gleichrichter-FET berechnet, wobei für die D-Pak-Variante eine Induktivität von 12 nH und die mit SuperSO8 von 3 nH zugrunde gelegt wurde. Allein dies bewirkt eine Verringerung der Verluste um etwa 20 %.

Eine weitere deutliche Verbesserung kann durch die Optimierung der MOSFETs erreicht werden. Das Absenken der Ansteuerspannung, in Verbindung mit niederohmigen FETs – als Gleichrichter-FET wurde der 1,6-mΩ-Typ im SuperSO8-Gehäuse gewählt – reduziert die Verluste um weitere 25 %.

Damit ermöglicht die Verwendung optimierter Transistoren eine Senkung der Verlustleistung um fast 50 % gegenüber herkömmlichen FETs. Alternativ kann auch eine Platz- und/oder Kostenreduktion durch Verkleinerung passiver Bauelemente mittels deutlicher Erhöhung der Taktfrequenz unter Beibehaltung des Wirkungsgrades realisiert werden. Eine signifikante Verminderung der Verluste lässt sich durch den Einsatz niederinduktiver Gehäuse und die optimale Nutzung schneller MOSFETs wie der „OptiMOS3“- und „OptiMOS2“-Serie erreichen.

Für kleine Abwärtswandler, wie sie häufig als Point-of-Load-Wandler (PoL) eingesetzt werden, stehen die FETs der „Opti-MOS3 30 V“-Familie im kleinen Leistungsgehäuse S3O8 zur Verfügung. Und mit dem BSZ035N03LS (maximaler R_DS(on) von 3,5 mΩ) stellt Infineon einen Leistungs-MOSFET vor, der die Leistungsfähigkeit eines FET im SSO8-Gehäuse auf nur 11 mm2 bereitstellt – nur 1/3 der Fläche eines SSO8-Gehäuses (Bild 3). Die Kombination aus niedrigem R_DS(on) und FOM_G in einem kleinen Gehäuse mit sehr guten elektrischen und thermischen Eigenschaften macht diese FET-Serie zur ersten Wahl für Schaltungen mit hohem Wirkungsgrad (Bild 4) auf engstem Raum. Die kompakten Abmessungen und der niederinduktive Gehäuseaufbau ermöglichen eine weitere Reduktion der Induktivitäten im Leistungskreis eines Abwärtswandlers und damit eine weitere Steigerung der Effizienz. Die Serien „OptiMOS3“ und „OptiMOS2“ wurden für Systeme mit höchstem Wirkungsgrad und Dynamik und hohem Energiesparpotential entwickelt. (Harry Schubert)

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