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Wie Sie den richtigen MOSFET auswählen (Teil 6) – Batterieschutz

| Autor / Redakteur: Brett Barr* / Kristin Rinortner

(Bild: N-Kanal.MOSFET / Markus A. Hennig / CC BY-SA 3.0)

Lithium-Ion-Akkus schützt man vor dem Explodieren, indem MOSFETs in den Lade- und Entladepfad geschaltet werden. Bei der Auswahl dieser MOSFETs müssen nur die Leitungsverluste betrachtet werden. Welche Kriterien darüber hinaus zu Fallstricken werden können, lesen Sie im sechsten Teil unserer Serie.

Im fünften Artikel dieser Serie habe ich das Thema behandelt, wie man den richtigen MOSFET für den Einsatz als Lasttrennschalter findet, und zwar speziell für Kleinsignal-Anwendungen. In diesem Beitrag werde ich auf eine ganz ähnliche Funktion eingehen, in der der MOSFET für den Batterieschutz eingesetzt wird.

Die Zahl der elektronischen Geräte, die mit Akkus aus Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ion) bestückt sind, steigt jedes Jahr. Die hohe Energiedichte, die niedrige Selbstentladerate und die unkomplizierten Ladeeigenschaften haben dafür gesorgt, dass diese Bauart zum bevorzugten Akkutyp für nahezu alle tragbaren elektronischen Geräte geworden ist.

Man findet Li-Ion-Akkus mittlerweile praktisch überall – vom Mobiltelefon bis zum Elektroauto. Ungeachtet der vielen Vorteile haben Li-Ion-Akkus auch gewisse Risiken, die bei mangelnder Sorgfalt katastrophale Folgen haben können. Niemand wird die explodierenden Smartphones des Typs Galaxy S7 und die entsprechenden Rückrufe im Jahr 2016 so schnell.

Eine gängige Methode, gegen destruktive Vorfälle dieser Art vorzugehen, besteht darin, MOSFETs in den Lade- und Entladepfad zu schalten. Diese Bauelemente können die elektrische Verbindung zwischen Akku und Elektronik im jeweiligen Gerät trennen, sobald die Akkuspannung aus einem vorgegebenen sicheren Bereich heraus gerät, oder wenn der IC beim Laden oder Entladen einen zu hohen Strom registriert (Bild 1).

Da es sich hier um keine Anwendung handelt, in der es auf eine hohe Schaltgeschwindigkeit ankommt, müssen in die Überlegungen nur die Worst-Case-Leitungsverluste einbezogen werden. Die Auswahlkriterien für den MOSFET sind hier also ganz ähnlich wie beim Lasttrennschalter. Es kommen allerdings einige Kriterien hinzu, die es rechtfertigen, auf die speziell für Batterieschutz-Anwendungen geltenden Fallstricke einzugehen.

Auswahlkriterien für Batterieschutz-MOSFETs

Ein Batterieschutz-MOSFET ist entweder vollständig angereichert und leitet dauerhaft einen Strom oder aber komplett abgeschaltet, um die Batteriespannung von der übrigen Elektronik abzuschirmen. Aus diesem Grund können bei der Auswahl des MOSFETs für eine solche Anwendung jegliche Schalt-Parameter außer Acht gelassen werden.

Ebenso wie bei der Auswahl eines MOSFETs für die Verwendung als Lasttrennschalter, sind auch hier die Stromtragfähigkeit, der Einschaltwiderstand und die Gehäusebauart die wichtigsten Kriterien. Folglich erscheint es sinnvoll, die Batterieschutz-Anwendungen in drei Strombereiche zu untergliedern, die von den verschiedenen Endgeräten benötigt werden. Anschließend lassen sich die MOSFETs für jeden dieser Strombereiche einzeln analysieren.

Kleingeräte mit zwei Akkuzellen

In den ersten Bereich fallen elektronische Kleingeräte geringer Leistung, die mit zwei Akkuzellen auskommen. Beispiele hierfür sind Mobiltelefone, Tablets und Fitness-Tracker. Die Ströme, die beim Laden und Entladen dieser Geräte auftreten, können sich zwischen wenigen hundert Milliampère und einigen Ampère bewegen. Kein Geheimnis ist die Tatsache, dass die Entwickler solcher elektronischen Kleingeräte ständig bestrebt sind, die Größe und das Gewicht ihrer Produkte mit jeder neuen Generation weiter zu reduzieren.

Bei der Wahl der FETs für den Batterieschutz achten Sie deshalb darauf, dass diese einerseits möglichst klein sind und andererseits dennoch mit den größten Lade- und Entladeströmen zurechtkommen. Häufig sind deshalb Chip-Scale-Bauelemente wie etwa FemtoFET N-Kanal-MOSFETs die richtige Wahl.

Da die FETs in diesen Anwendungen, wie in Bild 1 gezeigt, häufig in Back-to-Back-Konfiguration eingesetzt werden, um sowohl den Lade- als auch den Entladepfad zu blockieren, empfiehlt es sich als platzeffizienteste Lösung oft, beide Bausteine in Common-Drain-Schaltung in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren (Bild 2). TI bietet eine ganze Reihe integrierter Back-to-Back-Bausteine an, sowohl in Chip-Scale-Ausführung als auch in kleinen QFN-Kunststoffgehäusen (Quad-Flat No-lead) der Bauart SON3x3.

Elektrowerkzeuge mit mehreren Akkuzellen

Zur zweiten Gruppe batteriebetriebener Geräte gehören Elektrowerkzeuge im Handheld-Format mit mehreren Akkuzellen, also beispielsweise Bohrmaschinen, Scheren und Kleinsägen sowie Hausgeräte wie zum Beispiel Staubsaugroboter. Auch bei diesen Geräten kann es auf den Platzbedarf ankommen, jedoch werden die Akkus hier mit wesentlich höheren Strömen von meist mehr als 10 A geladen.

Entwickler wählen deshalb in der Regel Bauelemente im D2PAK-, TO-220- und in einigen Fällen auch QFN-Gehäuse und mit möglichst niedrigen Widerständen. Bei Bedarf besteht zwar die Möglichkeit, mehrere Bausteine parallelzuschalten, speziell wenn es um größere Geräte wie etwa Kettensägen oder Heckenscheren geht, jedoch ist es aus Platzgründen nach wie vor wichtig, die Zahl der FETs zu minimieren. Ebenso wie bei den FETs für Motorsteuerungs-Anwendungen sollte dem Baustein mit dem niedrigsten Widerstand in einem bestimmten Gehäuse der Vorzug gegeben werden, denn sonst würde man sich für ein kleineres Gehäuse entscheiden.

Elektrofahrzeuge mit hoher Stromstärke und Leistung

Zur dritten Gruppe mit batteriebetriebenen Anwendungen höchster Leistung gehören Elektrofahrzeuge, deren Palette von E-Bikes über Elektroroller und Elektroautos bis zu elektrisch betriebenen Bussen reicht. Hier erreichen die Stromstärke und die Leistung beträchtliche Werte von bis zu einigen hundert Ampère bzw. einigen Kilowatt, sodass kein Weg darum herumführt, im Lade- und Entladepfad mehrere FETs parallelzuschalten.

Ich habe erlebt, dass Entwickler auf massiven Leiterplatten Dutzende von FETs parallelgeschaltet haben. Meist handelte es sich dabei um D2PAK-Versionen, TO-220-Bauelemente auf Kühlkörpern oder andere thermisch optimierte Gehäusebauarten (Bild 3).

Wenn man von kleineren Anwendungen wie etwa E-Bikes absieht, haben die Abmessungen hier eine untergeordnete Bedeutung. Stattdessen dreht sich alles um die Stromtragfähigkeit, sodass es auch hier darum geht, den FET mit dem niedrigsten Einschaltwiderstand zu finden.

Wie viele FETs benötigt werden, richtet sich nach dem Widerstand, der maximalen Umgebungstemperatur und dem thermischen Widerstand sowohl der Leiterplatte als auch des Gesamtsystems. Mit einer überschlägigen Rechnung kann man zwar eingrenzen, in welcher Größenordnung man sich bewegt, doch um die Zahl der benötigten FETs wirklich genau zu bestimmen, ist meist eine Reihe rigoroser thermischer Simulationen erforderlich.

Automotive Q101-Zertifizierung notwendig?

Eine abschließende Bemerkung noch zu Batterieschutz-FETs in Elektrofahrzeugen: Sie sollten sich vergewissern, ob die finale Applikation Q101-qualifizierten FETs benötigt. Q101 ist die Automotive-Qualifikationsstufe des Automotive Electronics Council für diskrete Bauelemente (sie entspricht der Qualifikation gemäß Q100 für integrierte Schaltungen) und stellt wesentlich höhere Qualitäts- und Zuverlässigkeits-Anforderungen als für kommerzielle Bauelemente.

Ob für Ihre Bauelemente die Q101-Zertifizierung erforderlich ist, hängt von der finalen Anwendung sowie einer Reihe weiterer Faktoren ab, die von den Standards des jeweiligen Kunden bis zu dem Land reichen, in dem das jeweilige Fahrzeug eingesetzt werden soll.

Bei E-Bikes und Elektrorollern ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Q-101 erforderlich ist, geringer, jedoch gibt es auch hier Ausnahmen. Diese Frage sollten Sie auf jeden Fall klären, bevor Sie für Ihr Design FETs einsetzen, die Sie dann im finalen Entwurf nicht einsetzen dürfen. TI führt in seinem Portfolio keine FETs mit Automotive-Qualifikation, sodass Sie Ihre FET-Lösung in diesem Fall woanders beziehen müssen.

Im letzten Teil dieser Artikelserie geht es um den Auswahlprozess für MOSFETs, die für den Einsatz in Hot-Swap-Systemen und ähnlichen Anwendungen bestimmt sind.

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

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