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Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 2) – Motorsteuerungen

| Autor / Redakteur: Brett Barr* / Kristin Rinortner

MOSFETs finden: Für welche Anwendung ist welcher MOSFET geeignet? Beispiel Motorsteuerungen.
MOSFETs finden: Für welche Anwendung ist welcher MOSFET geeignet? Beispiel Motorsteuerungen. (Bild: N-Kanal.MOSFET / Markus A. Hennig / CC BY-SA 3.0)

Den richtigen MOSFET für die Anwendung zu finden, ist nicht trivial. Im zweiten Teil unserer Serie geht es um die Auswahl von MOSFETs für DC-Motorsteuerungen wie Bürstenmotor, bürstenloser Motor und Schrittmotor.

Der erste Teil dieser Serie beschäftigte sich damit, wie man eine geeignete Vergleichsliste für MOSFETs erstellen kann, wenn die finale Anwendung nicht bekannt ist. In diesem und den folgenden Blogbeiträgen geht es darum, welche Überlegungen jeweils für bestimmte Endanwendungen zu treffen sind. Den Anfang machen MOSFETs, die zum Ansteuern von Motoren verwendet werden sollen.

Motorsteuerungen sind ein großer, rasch expandierender Markt für diskrete MOSFETs von 30 bis 100 V. Dies gilt insbesondere für eine Reihe von Topologien, die zum Ansteuern von Gleichstrommotoren verwendet werden.

In diesem Beitrag werde ich mich auf die Auswahl der richtigen MOSFETs zum Treiben von Bürsten- und bürstenlosen Motoren sowie von Schrittmotoren konzentrieren. Hier gibt es zwar nur sehr wenige feste Regeln und eine potenziell unendliche Zahl von Herangehensweisen, aber ich hoffe dennoch, dass Ihnen dieser Beitrag einige Anregungen dafür liefern kann, wo Sie bei Ihrer Anwendung ansetzen können.

Die Durchbruchspannung beim MOSFET

Die erste und vielleicht einfachste Entscheidung betrifft die erforderliche Durchbruchspannung. Motorsteuerungen arbeiten tendenziell mit geringeren Spannungen, sodass es hier zu weniger Oszillationen kommt als bei Stromversorgungen. Aus diesem Grund neigt man dazu, den Spielraum zwischen der Versorgungsspannung und der Durchbruchspannung des MOSFETs etwas geringer zu wählen. Auf diese Weise kann man einen MOSFET mit niedrigerem Einschaltwiderstand verwenden (auch wenn dies häufig die Verwendung einer Snubber-Schaltung bedingt).

In der Regel ist jedoch ein Puffer von 40% zwischen der Durchbruchspannung Drain-Source BVDSS und der maximalen Eingangsspannung UIN ein guter Richtwert. Diese Zahl können Sie ohne weiteres um 10 Prozentpunkte größer oder kleiner wählen. Das hängt davon ab, welche Schwingungen Sie erwarten und ob Sie diese mit externen passiven Bauelementen dämpfen möchten.

Der Gehäusetyp des MOSFETs

Die vielleicht wichtigste Entscheidung betrifft den Gehäusetyp. Hier kommt es allein darauf an, welche Anforderungen das Design an die Leistungsdichte stellt (Bild 1). Unterhalb von 2 A werden die MOSFETs häufig (wenn auch keineswegs immer) in den Treiber-IC integriert. Bei Schrittmotoren und Anwendungen mit kleinen Bürsten- und bürstenlosen Motoren unter 10 A ermöglichen kleine Gehäuse der Bauform PQFN (SON 2 x 2 mm und SON 3,3 x 3,3 mm) die höchste Leistungsdichte.

Wenn Ihnen niedrige Kosten wichtiger sind als eine hohe Leistungsdichte, reichen vielleicht auch Gehäuse der älteren SOIC-Bauart, die jedoch mehr Platz auf der Leiterplatte beanspruchen.

Der von batteriebetriebenen Werkzeugen und Hausgeräten abgedeckte Bereich von 10 bis 30 A ist genau das richtige Anwendungsgebiet für die 5 mm x 6 mm großen QFN-Gehäuse. Oberhalb dieses Bereichs werden bei leistungsstärkeren Elektro- und Gartenwerkzeugen entweder mehrere MOSFETs parallel geschaltet oder Bauelemente mit größeren Gehäusen benutzt – beispielsweise die Bauart D2PAK oder Durchsteckgehäuse wie das TO-220. In diesen Gehäusen lässt sich mehr „Silizium“ unterbringen, was kleinere Einschaltwiderstände, höhere Ströme und bessere thermische Eigenschaften mit sich bringt. Auf großen Kühlkörpern montiert, lassen Durchsteck-Gehäuse höhere Verlustleistungen zu.

Welche Leistung Sie über ein Gehäuse abführen können, hängt ebenso vom thermischen Umfeld der finalen Anwendung ab. Während SMT-Bauelemente generell mehr Wärme über die Leiterplatte ableiten, lassen sich andere Gehäuse wie das bereits erwähnte TO-220 oder die Power-Blöcke der Reihe DualCool (Bild 2) mit einem Kühlkörper verbinden, der zusätzlich Wärme vom MOSFET abführt.

Der Einschaltwiderstand des MOSFETs

Der letzte Punkt, den Sie betrachten sollten, ist der anzustrebende Einschaltwiderstand. Die Auswahl eines MOSFETs zum Ansteuern eines Motors ist einfacher als die Wahl eines MOSFETs für eine Stromversorgung. Denn aufgrund der niedrigeren Schaltfrequenzen haben die Leitungsverluste den größten Einfluss auf die thermische Last.

Das soll keineswegs heißen, dass Sie die Schaltverluste beim Abschätzen der Verlustleistung ganz außer Acht lassen können. Ganz im Gegenteil: ich habe Worst-Case-Szenarien erlebt, in denen die Schaltverluste bis zu 30% der gesamten Verlustleistung eines Systems ausmachten. Dennoch sind diese Verluste geringer als die Leitungsverluste und sollten deshalb nicht das wichtigste Kriterium sein.

Elektrowerkzeuge, bei deren Design die extrem hohen Ströme bei blockiertem Motor zugrunde gelegt werden, bringen die MOSFETs an die Grenzen ihrer thermischen Belastbarkeit. Deshalb sind die Bauelemente, die den niedrigsten Einschaltwiderstand aufweisen im von Ihnen gewählten Gehäuse ein guter Ansatz.

Power Blocks mit zwei integrierten Halbbrücken als Alternative zum MOSFET

Bevor ich zum Schluss komme, möchte ich noch einmal auf die weiter oben bereits erwähnten Power-Block-Produkte zurückkommen. Die Bausteine CSD88584Q5DC (40 V) und CSD88599Q5DC (60 V) sind zwei vertikal integrierte Halbbrücken, die jeweils in einem einzigen, 5 mm x 6 mm großen QFN DualCool-Gehäuse untergebracht sind. Sie bieten einerseits den niedrigen Einschaltwiderstand pro Grundfläche, den man bei traditionellen, diskreten Bauelementen der Größe 5 mm x 6 mm findet, besitzen aber andererseits an ihrer Oberseite eine Metallfläche zum Anbringen eines Kühlkörpers. Damit eignen sich diese Bausteine für Ströme von 40 A und mehr in Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen.

Bevor Sie also auf ein sperriges TO-Gehäuse ausweichen, lohnt es sich vielleicht zu überprüfen, ob Sie mit einem dieser Power-Block-Bausteine nennenswert Platz auf der Leiterplatte sparen und einen kleineren Kühlkörper wählen können.

Hier finden Sie weitere Informationen über die Power-Block-Bausteine CSD88584Q5DC und CSD88599Q5DC .

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

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Danke :)  lesen
posted am 28.02.2018 um 18:17 von kelebek

Super 101 fuer den Einsatz!!!  lesen
posted am 28.02.2018 um 13:12 von Unregistriert


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