Kurzanleitung zur Auswahl von Leistungs-MOSFETs

Bei industriellen High-Power-Anwendungen ist die Wahl des richtigen Halbleiters enorm wichtig für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Systems. Im folgenden Text finden Sie eine Kurzanleitung zu den Auswahlkriterien, anhand derer die unterschiedlichen MOSFETs auseinander gehalten werden können.

Eine gute Möglichkeit zur Eingrenzung der möglichen Auswahl von MOSFETs besteht darin, alle Optionen auszuschließen, die nicht auf die erforderliche Spannung bzw. Stromstärke ausgelegt sind. So sind beispielsweise für eine Inverterschaltung mit einer Ausgabe von 250 V AC in der Regel MOSFETs mit 600 V für den Fall hoher Überspannungen angegeben.

Neben den konkreten Werten führen die Datenblätter von MOSFETs auch Kurven für den sicheren Betriebsbereich auf (sogenannte SOA-Kurven), die ebenfalls genauer unter die Lupe genommen werden sollten, um zu bestimmen, ob die jeweilige Komponente Ihrer Anwendung sicher standhalten kann. Eine SOA-Kurve hebt die Spannung und die Stromstärke hervor, bei der ein MOSFET sicher verwendet werden kann. Unten finden Sie ein Beispiel für eine SOA-Kurve einer IR-Komponente.

Abbildung 1: Ein Beispiel für eine SOA-Kurve eines MOSFETs: Dabei werden die Grenzen des sicheren Betriebsbereichs hervorgehoben

Neben der Spannung und der Stromstärke sind noch weitere Eigenschaften von MOSFETs von Bedeutung, darunter der Widerstand der Komponente, wenn sie eingeschaltet ist – der sogenannte RDS(ON). Ein niedriger RDS(ON) bedeutet, dass beim Einschalten des MOSFETs weniger Energie verschwendet wird. Im Umkehrschluss ist die Effizienz des Netzteils somit höher.

Werfen Sie auch einen Blick auf die thermischen Bedingungen, die Sie in Ihrer Anwendung erwarten. Der RDS(ON) steigt bei zunehmender Temperatur in der Regel an; achten Sie also darauf, dass dies nicht zu einem Problem wird. Die unten aufgeführte Beispielkurve eines Vishay MOSFETs verdeutlicht das Verhältnis zwischen dem (normalisierten) RDS(ON) und der Anschlusstemperatur.

Abbildung 2: Beispiel für das Verhältnis zwischen RDS(ON) und der Anschlusstemperatur.

RθJC ist der thermische Widerstand zwischen dem Anschluss des MOSFETs und dem Gehäuse und gibt somit an, wie gut die Komponente die Wärme von dem Silizium im Inneren ableiten kann. Moderne High-End-Technologien können die Wärme inzwischen sehr gut ableiten. Betrachten Sie einmal diesen Leistungs-MOSFET von STMicroelectronics – der RθJC liegt bei 0,5 °C/W für die Gehäuse D2PAK und TO-220, bzw. bei 3,33 °C/W für dieselbe Komponente in einem TO220-FP Gehäuse. Daneben ist der RθJA aufgeführt – der thermische Widerstand zwischen dem Anschluss und der Umgebungsluft, der bei beiden Gehäusearten 62,5 °C/W beträgt.

Selbstverständlich müssen all diese Eigenschaften gegeneinander – und vor allen Dingen auch gegen die Kosten – abgewogen werden: Daher sollten Sie im Auge behalten, dass unterschiedliche MOSFETs auf unterschiedliche Anwendungen ausgelegt sind. Bei einem Lastschalter für ein Netzteil in einer Server-Anwendung ist das MOSFET zu nahezu 100 % der Zeit eingeschaltet, sodass die Schalteigenschaften weniger wichtig sind als RDS(ON). Bei einem Schaltnetzteil (SMPS), sprich: die MOSFETs schalten fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit um, sind die Schalteigenschaften hingegen ausgesprochen wichtig.

MOSFETs für SMPS-Anwendungen werden in der Regel über ihre Leistungszahl (Figure of Merit, FOM) beschrieben. Diese Größe bietet eine Möglichkeit zur Klassifizierung der Schalteigenschaften. Dabei ist Effizienz von größter Bedeutung, sodass Leitungs- und Schaltverluste unbedingt minimiert werden müssen. RDS(ON) dient als wertvolle Messgröße von Leitungsverlusten, während Schaltverluste – sprich: die Ladungsmenge (und demnach die Energie), die zur Schaltung des MOSFETs erforderlich ist – von QG beschrieben werden. QG ist sehr eng mit der Parasitärkapazität der Schaltung verknüpft. So verfügt beispielsweise dieser ON Semi Leistungs-MOSFET über einen QG von 7,5nC. Die Leistungszahl entspricht dem Produkt von RDS(ON) * QG. Dabei besteht eine große Herausforderung für die unterschiedlichen Hersteller darin, beide Größen gleichzeitig zu minimieren, sodass diese Größe einen guten Hinweis auf die Qualität liefert.

Für bestmögliche Ergebnisse sollten die Leistungszahlen verschiedener MOSFETs unter denselben Bedingungen verglichen werden, sprich: VGS, VDS und ID sind gleich, da diese Größen bei verschiedenen Bedingungen variieren können. Betrachten Sie dieses hier von Fairchild, für den RDS(ON) mit 104 mΩ bei VGS= 10 V und dI <45D= 4,2 A angegeben ist, während für R <46DS(ON) von 156 mΩ mit VGS= 4,5 V und I <48D= 3,4 A andere Bedingungen gelten. </42

Zu weiteren häufig verwendeten Leistungszahlen zählt mitunter auch RDS(ON)*Grundfläche, da ein kleiner RDS(ON) in einer kleinen Komponente den Einsatz desselben Wandlers in einem kleineren Volumen erlauben kann, sodass die Leistungsdichte erneut zunimmt.

Selbst innerhalb von Netzteil-Topologien können die Anforderungen variieren. So werden beispielsweise bei einem Resonanzwandler Schaltverluste dadurch minimiert, dass Schaltvorgänge nur dann stattfinden, wenn VDS oder ID gleich Null ist (diese Eigenschaft wird auch als Nullspannungs- bzw. Nullstromschaltung bezeichnet). Leitungsverluste sind demnach von ungleich größerer Bedeutung. Ebenso spielt RDS(ON) eine größere Rolle für die Auswahl eines MOSFETs.

Neben Netzteilen weisen auch die Brücken-Anordnungen für Motorsteuerungen spezifische Anforderungen auf. Von diesen MOSFETs werden keine Schaltvorgänge mit hohen Geschwindigkeiten verlangt, während die Body-Diode eine kurze Rückerholzeit (trr) benötigt, damit das Gerät vor Rückströmen durch eine induktive Last geschützt wird. Komponenten mit Body-Dioden mit besonders kurzer Rückerholzeit stehen selbstverständlich zur Verfügung, beispielsweise diese hier von Toshiba, die speziell auf Solar-Invertoren ausgelegt ist.

Obwohl die Leistungszahlen, die thermische Performance, der An-Widerstand sowie die Schalteigenschaften einen wichtigen Hinweis auf die Qualität eines MOSFETs liefern, hängt es letztlich von der endgültigen Anwendung ab, welche dieser Eigenschaften gegeneinander abzuwägen sind. Zu verstehen, welchen Bedingungen der MOSFET wohl ausgesetzt sein wird, kann ebenso dabei helfen, die am besten geeigneten Eigenschaften auszuwählen.