RSS

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

| Autor / Redakteur: Brett Barr* / Kristin Rinortner

MOSFETs auswählen: Wie Sie den richtigen FET für Ihre Anwendungen finden.
MOSFETs auswählen: Wie Sie den richtigen FET für Ihre Anwendungen finden. (Bild: N-Kanal.MOSFET / Markus A. Hennig / CC BY-SA 3.0)

MOSFETs finden, gewusst wie: Im letzten Teil unserer Serie zu MOSFET-Anwendungen geht es um die Auswahl des richtigen MOSFETs für Hot-Swap-Anwendungen.

Bei dieser Serie habe ich mich mit zahlreichen verschiedenen FET-Anwendungen befasst, deren Spektrum von Motorsteuerungen bis zu Stromversorgungen reichte. Nunmehr bin ich beim finalen Thema angelangt, nämlich der Auswahl des richtigen MOSFETs für Hot-Swap-Anwendungen.

Wird eine Stromversorgung abrupt vom angeschlossenen Verbraucher getrennt, können die steilen Stromflanken in den parasitären Induktivitäten der Schaltung enorme Spannungsspitzen hervorrufen, die wiederum negative Auswirkungen auf die elektronischen Bauelemente der Schaltung haben können.

Ähnlich wie bei den Batterieschutz-Anwendungen dient der MOSFET auch hier zur Isolation der eingangsseitigen Stromversorgung von den übrigen Schaltungen. Allerdings soll der MOSFET die Verbindung zwischen Ein- und Ausgang hier nicht sofort trennen, sondern die entstehenden Stromflanken lediglich abmildern.

Erreicht wird dies mithilfe eines Controllers, der die Gate-Source-Vorspannung eines MOSFET reguliert. Dieser MOSFET befindet sich zwischen der Eingangsspannung (UIN) und der Ausgangsspannung (UOUT) und wird in den Sättigungsmodus gezwungen, wodurch die Höhe des durchgelassenen Stroms begrenzt wird (Bild 1).

Bild 1: Vereinfachte Darstellung einer Hot-Swap-Schaltung.
Bild 1: Vereinfachte Darstellung einer Hot-Swap-Schaltung. (Bild: Texas Instruments)

Bei der Auswahl dieses FETs sollte vor allen anderen Überlegungen die Wahl der richtigen Durchbruchspannung stehen. Diese beträgt in der Regel das 1,5- bis 2-Fache der maximal zu erwartenden Eingangsspannung. Beispielsweise werden in 12-V-Systemen vorzugsweise FETs mit einer Durchbruchspannung von 25 oder 30 V eingesetzt, während man bei 28-V-Systemen zu 100-V-FETs, in einigen Fällen auch zu 150-V-FETs greift.

Auswahlkriterium Arbeitsbereich (SOA) des MOSFETs

Das nächste Kriterium ist der sichere Arbeitsbereich (SOA) des MOSFETs. Dieses Diagramm wird im Datenblatt angegeben und liefert eine besonders nützliche Aussage darüber, wie anfällig ein MOSFET gegen thermisches Durchbrechen bei kurzen Leistungsspitzen ist, wie sie in ähnlicher Form in Hot-Swap-Anwendungen auftreten können.

Die entscheidende Frage, die Sie sich als Entwickler stellen sollten, betrifft die maximale Stromspitze, mit der der FET konfrontiert wird (oder die am Ausgang begrenzt werden soll) und wie lange diese Stromspitze dauert. Sobald Sie dies wissen, lässt sich im SOA-Diagramm leicht die entsprechende Strom- und Spannungsdifferenz aufsuchen.

Dazu ein Beispiel: Wenn die Eingangsspannung Ihrer Schaltung 48 V beträgt und Sie den an den Ausgang gelangenden Strom auf höchstens 2 A für eine Dauer von 8 ms begrenzen wollen, können Sie aus den 10-ms-Diagrammen der Bausteine CSD19532KTT, CSD19535KTT und CSD19536KTT (Bild 2) entnehmen, dass die beiden letzteren MOSFETs geeignet sein dürften, während der CSD19532KTT unzureichend ist.

Stromspitzen: Welche Sicherheitsreserven sind bei MOSFETs nötig?

Da aber der CSD19535KTT mit einer gewissen Sicherheitsreserve geeignet ist, könnte der teurere CSD19536KTT in dieser Anwendung etwas Zuviel sein.

Bild 2: Die SOA-Diagramme aus den Datenblättern von drei 100-V-MOSFETs im D2PAK-Gehäuse.
Bild 2: Die SOA-Diagramme aus den Datenblättern von drei 100-V-MOSFETs im D2PAK-Gehäuse. (Bild: Texas Instruments)

Ich bin im gerade angeführten Beispiel von einer Umgebungstemperatur von 25°C ausgegangen, die auch bei der Messung des SOA für das Datenblatt zugrunde gelegt wurde. Wird die finale Anwendung jedoch einer deutlich höheren Umgebungstemperatur ausgesetzt, muss der SOA im Verhältnis dazu, wie nah die Umgebungstemperatur an die maximale Sperrschichttemperatur des MOSFET heranrückt, gemindert werden.

Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur des finalen Systems 70°C beträgt, sind die SOA-Kurven nach Gleichung 1 zu reduzieren.

(Gleichung 1)
(Gleichung 1)

Unter diesen Umständen verkraftet der CSD19535KTT bei 10 ms und 48 V nicht mehr rund 2,5 A, sondern nur noch ca. 1,8 A. Daraus lässt sich schließen, dass dieser MOSFET nicht mehr für die Applikation in Frage kommt, sodass stattdessen die Wahl auf den CSD19536KTT fallen muss.

Die soeben geschilderte Methode basiert auf der Annahme, dass der MOSFET genau bei der maximalen Sperrschichttemperatur ausfällt, was aber in der Regel nicht der Fall ist. Wenn also die beim Testen des SOA gemessenen Ausfälle in Wirklichkeit erst bei 200°C oder einer anderen höheren Temperatur auftreten, strebt der Derating-Faktor gegen eins. Anders ausgedrückt, irrt sich die beschriebene Derating-Methode zur konservativen Seite hin.

Der SOA bestimmt auch die Wahl des MOSFET-Gehäuses. Da sich in D2PAK-Gehäusen große MOSFET-Chips unterbringen lassen, ist diese Bauform in Hochleistungs-Anwendungen recht populär. Kleinere QFN-Gehäuse (Quad Flat No-lead) mit Maßen von 5 mm x 6 mm oder 3,3 mm x 3,3 mm sind dagegen eher für Anwendungen mit geringerer Leistung geeignet. Wenn die Stromspitzen kleiner als 5 bis 10 A sind, wird der FET üblicherweise in den Controller integriert.

Auf diese Dinge sollten Sie bei der Auswahl des MOSFETs achten

Hier noch ein paar Dinge, auf die es sich zu achten lohnt:

  • Auch wenn es hier speziell um Hot-Swap-Anwendungen geht, können Sie den beschriebenen SOA-orientierten Auswahlprozess auch auf andere Situationen anwenden, in denen der FET im Sättigungsbereich arbeitet. Das Verfahren lässt sich sogar zur Auswahl des FET für eine OR-ing-Anwendung nutzen, für PoE-Applikationen (Power over Ethernet) oder für Anwendungen mit niedrigen Schaltgeschwindigkeiten (z. B. Motorsteuerungen), in denen es beim Abschalten des MOSFET zu erheblichen Überschneidungen hoher UDS- und IDS-Werte kommt.
  • In Hot-Swap-Anwendungen neigt man dazu, oberflächenmontierbarer FETs anstelle von solchen für Durchsteckmontage (beispielsweise im TO-220- oder I-PAK-Gehäuse) zu verwenden. Der Grund hierfür ist, dass die bei kurzen Impulsdauern und thermischem Durchbrechen auftretenden Erwärmungen räumlich sehr begrenzt sind. Anders ausgedrückt, verhindert die Wärmekapazität zwischen Sperrschicht und Gehäuse ein hinreichend schnelles Abfließen der Wärme an eine Leiterplatte oder einen Kühlkörper, um eine kühlende Wirkung auf die Sperrschicht auszuüben. Der von der Die-Größe abhängige Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (RθJC) ist wichtig, während der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (RθJA), der vom Gehäuse, der Leiterplatte und dem thermischen Umfeld bestimmt wird, geringere Bedeutung hat. Genau aus diesem Grund kommen in diesen Anwendungen nur selten Kühlkörper zum Einsatz.
  • Entwickler gehen häufig davon aus, dass der MOSFET mit dem niedrigsten Einschaltwiderstand den besten SOA aufweist. Diese Annahme erscheint auch durchaus schlüssig, denn ein niedrigerer Widerstand im gleichen Gehäuse deutet üblicherweise auf einen größeren Die hin, der für einen besseren SOA und einen niedrigeren thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse sorgt. Da sich jedoch der Widerstand pro Flächeneinheit (RSP) von einer Halbleitergeneration zur anderen verbessert, besteht eine Tendenz zu immer höherer Zellendichte. Je dichter aber die Zellenstruktur im Die ist, umso größer wird die Anfälligkeit gegen thermisches Durchbrechen. Hieraus erklärt sich, weshalb FETs älterer Generationen, die einen deutlich höheren Widerstand besitzen, gelegentlich einen wesentlich besseren SOA zu bieten haben. Hieraus ist wiederum die Erkenntnis zu ziehen, dass es sich immer lohnt, den SOA zu untersuchen und zu vergleichen.
  • Es wäre nachlässig von mir, Sie nicht daran zu erinnern, dass nicht alle SOA-Angaben in den Datenblättern gleich sind und dass Sie die SOAs aller Hersteller nicht unbedingt für bare Münze nehmen sollten. Selbstverständlich steht TI hinter den SOA-Angaben in seinen Datenblättern, doch am besten ist es, wann immer möglich auf reale Daten zurückzugreifen.

Hot-Swap-Controller und Sicherheitsreserve

Von TI gibt es eine ganze Reihe von Hot-Swap-Controllern, die Sie hier suchen können. Die Tabellen 1 bis 3 enthalten einige Bauelemente, die wir in der Regel für Hot-Swap-Anwendungen empfehlen, mit wichtigen Werten hinsichtlich des SOA.

Damit komme ich zum Ende dieser Blog-Serie über die Auswahl des richtigen MOSFET. Ich danke Ihnen für Ihr Interesse und hoffe, dass die Lektüre für Sie lehrreich war. Wenn Sie Fragen zu diesem oder einem der anderen Beiträge haben, schreiben Sie bitte einen Kommentar.

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

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

26.07.18 - 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. lesen

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

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

07.06.18 - Mehr als alles andere werden MOSFETs als Lasttrennschalter eingesetzt – die Zahl geht in die Hundertmillionen. Ob der Preis oder die Größe im Einzelfall Priorität hat, bestimmt darüber, welchen MOSFET Sie für Ihre Schaltung wählen. Zwei Herangehensweisen. lesen

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

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

04.05.18 - Die Leistungsfähigkeit einer Stromversorgungs-Schaltung auf der Basis von Datenblattangaben vorherzusagen, ist ein mühsamer Prozess. Ich stelle Ihnen ein nützliches Hilfsmittel vor, das die Auswahl von MOSFETs für synchrone Abwärtswandler recht einfach gestaltet. lesen

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

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

28.03.18 - 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. lesen

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

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

26.02.18 - 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. lesen

Wie Sie den richtigen MOSFET finden – Teil 1

Wie Sie den richtigen MOSFET finden – Teil 1

01.02.18 - Bei komplizierten Schaltungen zur Stromversorgung neigt man dazu, die Auswahl des MOSFETs erst zum Schluss anzugehen – schließlich geht es hier ja nur um ein Bauelement mit nur drei Anschlüssen. Lassen Sie sich jedoch nicht von Äußerlichkeiten täuschen, denn die Wahl des richtigen MOSFETs kann sich komplizierter gestalten als man denkt. lesen

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

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45459163 / Power Management)