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Wesentliche Merkmale von Leistungs-MOSFETs richtig abschätzen

Wesentliche Merkmale von Leistungs-MOSFETs richtig abschätzen

Bei der Integration von MOSFETs in Leistungselektronik müssen zahlreiche Anforderungen berücksichtigt werden. Sind diese verständlich, vereinfacht sich die Suche nach dem am besten geeigneten Baustein, und die zugehörigen Designkriterien lassen sich erfüllen. Auch die notwendige Abwägung zwischen unterschiedlichen Parametern geht dann einfacher vonstatten.

Einer der wichtigsten MOSFET-Parameter, die untersucht werden müssen, ist der Durchlasswiderstand (RDS(ON)). Situationsunabhängig müssen Entwickler, die einen MOSFET spezifizieren, imstande sein, den maximal akzeptablen RDS(ON) herauszufinden. Dieser Wert macht den größten Anteil der Leistungsverluste im aktiven Zustand des MOSFET aus und kann so zu einem unerwünschten Batterieverbrauch in tragbaren Anwendungen mit niedriger Betriebsspannung führen. Gerade hier sollte der Stromverbrauch äußerst gering sein. Die Wahl eines MOSFETs mit niedrigem RDS(ON)  erweist sich gerade in solchen Anwendungen als äußerst hilfreich. Vergleiche zwischen verschiedenen MOSFETs sollten sorgfältig geprüft werden. MOSFET-Datenblätter führen den RDS(ON) meist bei einer Sperrschichttemperatur (TJ) von 25°C auf. Bei höheren Temperaturen steigt der RDS(ON)-Wert. Die Anstiegsrate des Durchlasswiderstands unterscheidet sich zwischen den Herstellern und den einzelnen MOSFET-Technologien. Die Betriebstemperatur muss ebenfalls berücksichtigt werden, sobald die maximale Durchbruchspannung UDS(max) mit einbezogen wird. Damit wird sichergestellt, dass gleichartige Evaluierungen korrekt ausgeführt werden. Die maximale Durchbruchspannung UDS(max) steigt mit der Betriebstemperatur. Da einige Datenblätter den UDS(max)-Wert bei maximaler Sperrschichttemperatur (TJ) anstatt bei Raumtemperatur (25°C) aufführen, erscheint die maximale Durchbruchspannung höher als erwartet.

Die Gate-Ladung (QG) definiert die Ladungsenergie, die erforderlich ist, um den MOSFET zu schalten. Gerade der QG-Wert des MOSFETs sorgt für eine effektive Schaltleistung. Ist der Wert klein, kann die Schaltfrequenz höher ausfallen. Da sich der RDS(ON) negativ auf QGD auswirkt, müssen Entwickler eine Möglichkeit finden, diese beiden entgegengesetzt wirkenden Parameter auszugleichen. Damit wird eine Balance zwischen hoher Schaltleistung und geringem Stromverbrauch erzielt. Die Multiplikation von RDS(ON) und QG ergibt die Güte eines MOSFETs, auch FoM (Figure of Merit) genannt. Dies ist ein Anhaltspunkt für die Gesamtleistungsfähigkeit des Bausteins.

Der Nennstrom (ID) ist ein weiterer wichtiger Parameter. Dieser gibt Aufschluss, wieviel Gleichstrom in Durchlassrichtung fließen kann und bezieht sich eng auf die maximalen Leistungsverluste durch RDS(ON). Die Schwellenspannung (UTH) beschreibt die minimale Gate-Vorspannung, die angelegt werden kann, um einen leitfähigen Kanal zwischen Source und Drain des MOSFETs zu erzeugen. Übersteigt die Gate-Source-Spannung (UGS) diesen Wert, beginnt der Kanal, elektrischen Strom durchzuleiten. Die Durchbruchspannung (UDSmax) ist die maximale Drain-Source-Spannung. Der Aufbau des MOSFETs bestimmt diese letztgenannten Parameter. Auch die MOSFET-Größe spielt eine wichtige Rolle. Platzbeschränkungen stellen eine Herausforderung für Entwickler dar. Sie müssen MOSFETs finden, die eine hohe Leistungsfähigkeit bieten und trotzdem in kompakten Gehäusen untergebracht sind.

Weitere Informationen über den erfolgreichen Auswahlprozess von Leistungs-MOSFETs finden sich in Toshibas entsprechendem Whitepaper:

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