Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 3) – Schaltnetzteile

Die vielleicht häufigste Anwendung für Leistungs-MOSFETs birgt auch die größte Herausforderung, wenn es um die Wahl des richtigen Bausteins geht. Nirgendwo sind Kompromisse zwischen Leistungsfähigkeit, Preis und Größe so diffizil wie bei den MOSFETs für Schaltnetzteile.

Wollte man alle Schaltnetzteil-Topologien aufführen und außerdem die wichtigsten Überlegungen zu allen diesen Topologien auflisten, müsste man wohl einen ganzen Roman schreiben und ein Applikations-Experte mit weit mehr technischem Wissen sein, als ich es habe. Trotzdem hoffe ich, dass ich Ihnen in den folgenden Abschnitten zumindest einige Tipps sowie mögliche Fallstricke aufzeigen kann.

Die meisten Schaltnetzteil-Anwendungen arbeiten heute mit relativ hohen Frequenzen, die von 100 kHz bis in den Megahertz-Bereich hineinreichen. Anders als bei niederfrequenten Anwendungen wie beispielsweise Motorsteuerungen darf man hier also bei der Wahl des richtigen MOSFETs nicht allein den Einschaltwiderstand und die Leitungsverluste betrachten.

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Je höher die Frequenz ist, umso größer sind die Schaltverluste. Deshalb ist der leistungsfähigste bzw. effizienteste MOSFET derjenige, der den besten Kompromiss zwischen geringer Gate- (und anderer) Ladung und niedrigem Einschaltwiderstand
(R_DS(on)) bietet.

Wo wir gerade auf Ladungen zu sprechen kommen: es geht hier nicht unbedingt nur um die Gateladung. Die Gateladung (Q_G) bestimmt wie schnell ein MOSFET ein- und ausschaltet. Dies wiederum ist ein wichtiges Kriterium für hart schaltende Anwendungen, in denen sich Spannung und Strom umso kürzer überschneiden, je schneller die Abschaltung erfolgt.

Aus diesem Grund verwendet man das Produkt aus R_DS(on) und Q_G als die klassische Bewertungskennzahl (Figure of Merit, FOM) von MOSFETs, wobei ein kleinerer Wert hier besser ist. Andere Schaltparameter können jedoch – abhängig von der jeweiligen Anwendung – ebenso bedeutsam oder sogar noch wichtiger sein.

Beim High-seitigen Schalten zum Beispiel kann die von der Ausgangskapazität (C_OSS) bestimmte, gespeicherte Energie (E_OSS) einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems haben (Bild 1).

Damit die höheren Wirkungsgrade für moderne Stromversorgungen erreicht werden, ersetzen Ingenieure zunehmend die traditionell verwendeten Dioden durch MOSFETs, die als Synchrongleichrichter eingesetzt werden (Bild 2). Bei dieser Nachbildung einer Gleichrichterdiode durch MOSFETs haben die Sperrverzögerungs-Verluste nach den Leitungsverlusten oft den größten Anteil an der Gesamt-Verlustleistung. Die Sperrverzögerungs-Verluste hängen wiederum von der Sperrverzögerungs-Ladung Q_RR der Body-Diode des MOSFETs ab.

In solchen Anwendungen ist deshalb das Produkt aus R_DS(on) und (½Q_OSS + Q_RR) die aussagefähigere Maßzahl. Auf der Basis einer typischen Synchrongleichrichter-Anwendung schlüsselt Bild 3 die Verluste in einem 80-V-MOSFET auf.

Innerhalb einer bestimmten MOSFET-Technologie, in der die jeweiligen FOMs weitgehend gleich sind, gilt die Regel, dass die Gateladung umso höher ist, je geringer der Widerstand ist. Die effizienteste Lösung ist deshalb diejenige, die die jeweiligen Anteile von Leitungs- und Schaltverlusten optimiert.

Dazu ein Beispiel: Kürzlich wollte ein Kunde eine Empfehlung für einen Synchrongleichrichter-MOSFET für bestimmte Eingangsbedingungen und einen vorgegebenen Ausgangsstrom. Bild 4 zeigt hierzu die Leitungs- und Schaltverluste von fünf MOSFETs mit unterschiedlichen Widerständen.

Wie man sieht, ergaben die vierte und die fünfte Option unter diesen Bedingungen sehr ähnliche Gesamtverluste, da die Kurve zwischen beiden weitgehend flach verläuft. Allerdings weist die fünfte Option den doppelten Widerstand der vierten auf. Innerhalb einer MOSFET-Technologie ist der Widerstand aber umgekehrt proportional zur Größe, und so kann man hier davon ausgehen, dass die fünfte Option die deutlich kosteneffektivere Lösung ist.

Weitere Aspekte bei der Auswahl von MOSFETs für Schaltnetzteile

Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Schaltnetzteil-Anwendung eine Lösung aus mehreren parallelgeschalteten MOSFETs erfordert – besonders bei Synchrongleichrichtern. Beachten Sie, dass die Widerstands-Unterschiede zwischen den verschiedenen MOSFET-Optionen proportional zur Zahl der parallelgeschalteten MOSFETs geringer werden. Gleichzeitig aber multiplizieren sich die Ladungsunterschiede um denselben Faktor. Deshalb verringern die Schaltverluste ab einer bestimmten Anzahl von MOSFETs den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.

Das gewählte Gehäuse zählt ebenfalls. Ältere Gehäusebauarten wie das TO-220 (Transistor Outline) oder das D2PAK beinhalten große Siliziumchips und leiten hohe Verlustleistungen ab (dies gilt insbesondere für Durchsteck-Gehäuse auf Kühlkörpern). Sie weisen jedoch erheblich höhere Gehäusewiderstände auf als QFN-Bausteine (Quad-Flat No lead). Bei hohen Frequenzen spielen außerdem parasitäre Elemente wie die Source-Tab-Induktivität des MOSFETs eine größere Rolle – mit ungünstigen Auswirkungen auf die Oszillationen am Schaltknoten und die Effizienz des gesamten Systems. Deshalb ermöglichen QFN-Gehäuse (z.B. SON5x6 oder SON3x3) eine höhere Leistungsdichte als entsprechende TO-Bausteine. QFN-Bausteine eignen sich in der Regel besser zum Treiben höherer Frequenzen, d.h. von einigen 100 bis 1000 kHz.

Einige für Schaltnetzteile kritische Parameter wie etwa R_DS(on) und Q_G lassen sich direkt dem Datenblatt entnehmen. Weitere Angaben im Datenblatt, wie zum Beispiel Q_RR und Q_OSS, sind dagegen wesentlich unzuverlässiger. Deshalb ist es besser, tatsächlich Äpfel mit Äpfeln zu vergleichen und direkt auf der Leiterplatte zu messen, um einen fairen Vergleich zwischen verschiedenen MOSFET-Anbietern zu ziehen.

Fazit: MOSFETs für Schaltnetzteile

Sollte dieser Beitrag die Unklarheiten jetzt noch verstärkt haben und Ihnen die Auswahl von MOSFETs für Schaltnetzteil-Applikationen nun noch komplizierter vorkommen, so war das durchaus beabsichtigt. Schließlich ist die Auswahl von MOSFETs keine triviale Aufgabe und sollte auch nicht als eine solche betrachtet werden.

Im nächsten Beitrag dieser Serie werde ich mich mit einem äußerst nützlichen Hilfsmittel befassen, das die Auswahl der MOSFETs für eine bestimmte Schaltnetzteil-Anwendung, nämlich für synchrone Abwärtswandler, denkbar einfach macht. In das Tool müssen nur wenige Parameter eingegeben werden, um anschließend den Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Preis zu analysieren.

Ich freue mich auf Ihre Fragen und Kommentare.

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 7) – Hot-Swap-Anwendungen

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

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 5) – Schalten von Verbrauchern

Wie Sie den richtigen MOSFET finden (Teil 4) – Online-Tools

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

Wie Sie den richtigen MOSFET finden – Teil 1

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

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