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MOSFET-Datenblätter richtig lesen: Angaben zum Dauerstrom (Teil 3)

| Autor / Redakteur: Brett Barr* / Kristin Rinortner

MOSFET Datenblätter richtig lesen: Wie sind die Angaben zur Strombelastbarkeit zu verstehen und entsprechen sie der Realität?
MOSFET Datenblätter richtig lesen: Wie sind die Angaben zur Strombelastbarkeit zu verstehen und entsprechen sie der Realität? (Bild: N-Kanal-MOSFET / Markus A. Henning / CC BY-SA 3.0)

Liebe FET-Freunde, willkommen zum dritten Teil der Serie „MOSFET-Datenblätter richtig lesen“. In diesem Artikel geht es um die Strombelastbarkeit von MOSFETs und darum, inwieweit die entsprechenden Angaben der Realität entsprechen.

Die Angaben zur Strombelastbarkeit eines MOSFETs werden nicht gemessen, wie beispielsweise der RDS(on) oder die Gateladung. Die Werte werden berechnet, und dabei gibt es natürlich verschiedene Möglichkeiten.

Die Angabe „Package Current Rating“ (Nennstrom des Gehäuses) des FET ist beispielsweise weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur. Die Strombelastbarkeit hängt von der Verbindung zwischen dem Silizium-Die und dem Kunststoffgehäuse ab. Ein Überschreiten dieses Werts führt nicht zwangsläufig zur Zerstörung des Bauteils, allerdings kann ein längerer Betrieb oberhalb dieses Grenzwerts zu Lasten der Lebensdauer des Bausteins gehen.

Zu den Ausfallmechanismen jenseits dieser Grenze gehören unter anderem das Durchschmelzen von Anschlüssen, eine thermisch bedingte Zersetzung des Gehäusematerials und Probleme infolge von Elektromigration.

Darüber hinaus gibt es den Halbleiter-Grenzwert (Silicon Limit), der durch die Halbleiterphysik bestimmt ist. Dieser wird meist spezifiziert, indem man die Gehäusetemperatur auf 25 °C hält. Dabei legt man im Prinzip einen idealen Kühlkörper zugrunde, da die Grenzleistung des Bausteins (wie sie in den Gleichungen 1 und 2 erscheint) nur aufgrund des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Gehäuse berechnet wird.

Als RθCase-to-Ambient wird also der Wert null angesetzt, was für eine praktische Anwendung nicht realistisch ist. Diese Stromangabe sollte deshalb eher als eine Kenngröße betrachtet werden, in die sowohl der RDS(on) als auch der Wärmewiderstand des betreffenden Bausteins eingehen.

(Gleichung 1)
(Gleichung 1)

(Gleichung 2)
(Gleichung 2)

Als Beispiel sind in Bild 1a und 1b die Tabellen mit den absoluten Maximalwerten gezeigt, die auf der ersten Seite der Datenblätter der 60-V-MOSFETs im TO-220-Gehäuse CSD18536KCS und CSD18535KCS erscheinen. Bei beiden Produkten ist die Belastbarkeit gehäusebedingt auf 200 A begrenzt. Der CSD18536KCS mit seinem niedrigeren RDS(on) und seinem geringeren Wärmewiderstand besitzt aber ein höheres „Silicon Limit“ von 349 A, woraus zu entnehmen ist, dass er sich bei gleich hohem Dauerstrom wahrscheinlich weniger stark erwärmt als der CSD18535KCS.

Dennoch raten wir davon ab, diese Bausteine über längere Zeit hinweg mit mehr als 200 A zu betreiben. Im Zusammenhang mit FETs versteht man unter „längere Zeit“ jeglichen Stromimpuls von mehr als 100 ms. Oberhalb dieses Wertes spricht man von Dauerstrom.

Die dritte Angabe zum Dauerstrom bei QFN-Gehäusen

Einige Datenblätter von Bauelementen im QFN-Gehäuse geben noch einen dritten Dauerstrom an. Dieser wird nach exakt der gleichen Methode berechnet wie der Halbleiter-Grenzwert, allerdings abhängig vom gemessenen RθJA-Wert des Bausteins, wie es in der Fußnote unter der Tabelle in den Bildern 1a und 1b angegeben ist.

Wenn man RθJA (dieser Wert beträgt bei einem Standard SON5x6-Gehäuse typisch 40 °C/W) zum Berechnen der Maximalleistung verwendet, nimmt man an, dass ein QFN-Baustein in Wirklichkeit nur für etwa 3 W geeignet ist. Diese Berechnung ergibt eine etwas realistischere Angabe des maximal zulässigen Dauerstroms für einen QFN-Baustein ohne Kühlkörper oder ein anderes Entwärmungskonzept.

Im vierten Teil der Serie „MOSFET-Datenblätter richtig lesen“ nehme ich eine ähnliche Analyse für den maximalen Impulsstrom IDM vor und zeige, wie dieser mit den übrigen Angaben im Datenblatt, wie etwa dem SOA-Diagramm zusammenhängt.

* Brett Barr arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Bethlehem / U.S.A.

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