Leistungselektronik-Schaltungen richtig auslegen Mit interaktiven Datenblättern zur effektiven MOSFET-Analyse

Interaktive Online-Datenblätter für Leistungs-MOSFETs basieren auf elektrothermischen Modellen der Bauteile. Mittels virtueller Schieberegler können Entwickler mehrere Parameter ihrer Schaltung variieren und die Auswirkungen auf den Arbeitspunkt des Bauelements sofort evaluieren.

Sucht ein Entwickler nach dem passenden MOSFET-Bauteil, ist das Datenblatt meist die erste Anlaufstelle. Doch dieses ist oft umfangreich und umständlich, daher kann das Auffinden und Interpretieren der benötigten Informationen knifflig sein: Bedeutungen der angegebenen Parameter sind in den Datenblättern nur selten erläutert – und das, obwohl selbst geringfügige Unterschiede in ihrer Auslegung eine entscheidende Rolle für das Verhalten eines Bauteils in einer Anwendung spielen können.

Zudem gibt das Datenblatt Parameter normalerweise nur für typische Betriebsbedingungen an, das Bauteilverhalten in alternativen Szenarien lässt sich häufig nur erahnen. Also verwenden Applikationsingenieure bei Halbleiterherstellern viel Zeit darauf, die Entwickler bei der Durchführung von Berechnungen und der Interpolation von Datenblattgrafiken zu unterstützen.

Um diese Situation zu verbessern, hat Nexperia interaktive Datenblätter für seine Leistungselektronikkomponenten entwickelt. Mit diesem Tool können Entwickler die Abhängigkeit mehrerer Parameter untereinander gleichzeitig visualisieren und schnell feststellen, wie sich ein Bauelement in einem gewünschten Betriebspunkt verhält. Innovativ sind diese interaktiven Datenblätter, weil sich die Parameter dynamisch in Echtzeit an die kundenspezifischen Anwendungen anpassen lassen, und der Bedarf an komplexen Berechnungen und Interpolationen erheblich abnimmt.

Den Berechnungen in den interaktiven Datenblättern liegen von Nexperia entwickelte elektrothermische Modelle zugrunde. So lässt sich das thermische Verhalten von diskreten MOSFET-Bauelementen schnell, aber vor allem präzise über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg ermitteln.

Dieser Beitrag gibt anhand einer Reihe praktischer Szenarien und mithilfe der neuen interaktiven Datenblätter Einblick in das Verhalten von MOSFETs.

Szenario 1a: MOSFET R_DS(on) bei 25°C, V_GS = 10 V

Ein Entwickler möchte den R_DS(on) eines MOSFET für V_GS = 10 V bei einer Sperrschichttemperatur T_j von 25 °C wissen. Das Ablesen aus einer Tabelle in einem Standarddatenblatt ist einfach, dort ist der typische Wert für R_DS(on) = 4,8 mΩ aufgeführt. (Bild 1). Das interaktive Datenblatt von Nexperia für denselben Baustein enthält Schieberegler, die auf einen gewünschten MOSFET-Betriebspunkt eingestellt werden können (Bild 2). In diesem Datenblatt wird ein Wert von R_DS(on) = 4,13 mΩ angegeben. Nach Abgleich mit den gemessenen Werten in einer realen Anwendung zeigt sich, dass dieser zweite Wert genauer ist.

Die Diskrepanz zwischen den beiden Werten entsteht, weil der typische Wert aus dem traditionellen Datenblatt nicht unbedingt den Mittelwert darstellt. Im Gegensatz dazu beruhen die elektrothermischen Präzisionsmodelle, die den interaktiven Datenblättern zugrunde liegen, auf Bauteilen, die das mittlere Verhalten darstellen. Das interaktive Datenblatt verhält sich also wie eine einfache grafische Benutzeroberfläche (GUI) zur Anzeige der Daten, welche die elektrothermischen Modelle von Nexperia erzeugen. Auf diese Weise kann das interaktive Datenblatt das MOSFET-Verhalten anzeigen und den RDS(on) für den mit den Schiebereglern ausgewählten Betriebspunkt dynamisch und nahezu sofort berechnen.

Szenario 1b: MOSFET R_DS(on) bei 100°C, V_GS = 10 V

Als nächstes möchte der Entwickler für dasselbe Bauteil den Wert von R_DS(on) bei 100°C Sperrschichttemperatur herausfinden. Ein Standarddatenblatt erfordert die Suche über mehrere Seiten, um das Diagramm mit dem temperaturnormierten R_DS(on) zu finden (Bild 3). Nun zieht der Anwender mit Hilfe eines Lineals eine vertikale Linie vom Wert 100 °C auf der x-Achse bis zum Schnittpunkt mit der Kurve und von dort horizontal auf den Skalierungsfaktor an der y-Achse von etwa 1,45. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei diesem „Ablesen“ des Werts aus der Kurve verfahrensbedingt ein gewisser Spielraum besteht. Multipliziert man nun den gefundenen Wert 1,45 mit dem (typischen) R_DS(on), erhält man einen ungefähren Wert von R_DS(on) = 7 mΩ. Bei Verwendung eines interaktiven Datenblatts muss der Anwender lediglich den Schieberegler für die Sperrschichttemperatur T_j auf 100°C stellen und kann direkt R_DS(on) = 5,63 mΩ ablesen. Dieser Wert ist wiederum ein genauerer und realistischerer Wert, den ein Schaltungssimulator unter Verwendung der elektrothermischen Modelle des Bausteins berechnet hat.

Szenario 1c: MOSFET R_DS(on) bei 100°C, V_GS = 5 V

Der Entwickler möchte nun den R_DS(on) des Bauteils für V_GS = 5 V ermitteln, ebenfalls bei 100°C. Leider ist es in diesem Fall unmöglich, diesen Wert aus einem Standarddatenblatt zu gewinnen – unabhängig vom Hersteller. Verwendet der Entwickler jedoch ein interaktives Datenblatt, muss er nur den V_GS-Schieberegler auf 5 V stellen und dann den Wert für R_DS(on) = 10,4 mΩ ablesen, um die gewünschte Information zu erhalten.

Szenario 1d: Untersuchung der Temperaturabhängigkeit

Nun soll die Temperaturabhängigkeit des MOSFET untersucht werden. Der Entwickler stellt den Schieberegler V_GS auf 4 V und liest den entsprechenden Wert von R_DS(on) = 107 mΩ ab. Dies entspricht den Erwartungen, da der Widerstand sowohl mit sinkender Gate-Source-Spannung als auch mit steigender Temperatur zunimmt. Als nächstes wird der Schieberegler auf 140°C gestellt, nun fällt aber der Wert für R_DS(on) auf 83 mΩ (Bild 4). Auch wenn dies auf den ersten Blick nicht intuitiv erscheint, ist das Verhalten auf den negativen Temperaturkoeffizienten der MOSFET-Schwellenspannung zurückzuführen, den die elektrothermischen Modelle mit dem im interaktiven Datenblatt angegebenen Wert genau erfassen. Dieses Verhalten wäre anhand der Angaben in einem Standarddatenblatt kaum ableitbar. In einem anderen Szenario könnte es auch erforderlich sein, die Auswirkungen einer Änderung von I_d zu untersuchen, was mit interaktiven Datenblättern ebenfalls möglich ist.

Szenario 2: P_TOT

Ein Konstrukteur möchte wissen, bei welcher Temperatur der Montagebasis ein Bauteil 40 W Verlustleistung (P_TOT) abführen kann – unter der Annahme idealer Bedingungen, das heißt eines unendlich großen Kühlkörpers mit maximaler Wärmeleitfähigkeit. Bevor er ein Standarddatenblatt zu Rate zieht, muss der Konstrukteur zunächst den Faktor für das Derating der maximalen Verlustleistung berechnen, der in diesem Beispiel 40 W/68 W ≈ 60 % beträgt. Anschließend müsste die Seite im Datenblatt gefunden werden, die ein Diagramm der normierten Gesamtverlustleistung in Abhängigkeit von der Temperatur der Montagebasis zeigt (Bild 5). Durch horizontale Übertragung (manuell mit einem Lineal) von 60% auf der y-Achse mit der Derating-Leistung (Pder) zum Schnittpunkt mit dem Graphen und dann vertikal zur x-Achse erhält man den Wert für die Temperatur der Montagebasis (T_mb) von 80°C.

Im Vergleich hierzu muss der Konstrukteur bei Verwendung eines interaktiven Datenblatts hingegen nur den Schieberegler mit dem Wert der Temperatur T_mb verstellen, bis rechts im Feld die gewünschte Verlustleistung von 40 W angezeigt wird – wie in Bild 6 gezeigt, ist der Wert für T_mb in diesem Beispiel gleich 85°C.

Weitere Szenarien: Q_g(tot), Q_gs, Q_gd und mehr

Werte für Größen wie Q_g(tot), Q_gs oder Q_gd liefert ein typisches herkömmliches Datenblatt lediglich für ganz bestimmte I_D-, V_DS- und V_GS-Parameter, was jedoch kein weiteres Verständnis für deren Schwankungen beim Schalten bietet. Solche Schwankungen oder das Verhalten des Bauteils bei variierenden Parametern lässt sich normalerweise nur durch eine Simulation der Anwendung mit einem SPICE-Tool herausfinden. Ein Prozess, der Zeit und ein gewisses Maß an Kenntnissen im Umgang mit Software für die Schaltungssimulation erfordert.

Mit interaktiven Datenblättern entfällt diese Notwendigkeit, da die Anwender die Betriebsbedingungen einer Anwendung eingeben und die Leistungsverluste direkt berechnen können. Dadurch können Entwickler die Betriebsparameter fein abstimmen und die Anwendungsvoraussetzungen schnell anpassen, was den iterativen Prozess hin zu einem endgültigen Entwurf erheblich beschleunigt.

Fazit

Für Hersteller ist es unmöglich, eine vollständige Liste von Bausteinparametern für jedes Szenario bereitzustellen, dem ein MOSFET in einer Anwendung begegnen kann. Das bedeutet, dass sie solche Informationen nur für typische Betriebsbedingungen bereitstellen können. Darüber hinaus sind viele Parameter dynamisch und miteinander verbunden, aber diese Beziehungen können mit einem zweidimensionalen Standarddatenblatt schwer zu erkennen sein.

Die interaktiven Datenblätter von Nexperia stellen eine völlig neue und mehrdimensionale Methode dar, um Entwicklern zu helfen, zu verstehen, wie sich ein MOSFET unter untypischen Betriebsbedingungen verhalten könnte. Unter Beibehaltung des vertrauten „Look and Feel“ eines Standarddatenblattes bieten sie eine benutzerfreundliche Schnittstelle, die interaktiv und dynamisch Parameterwerte als Reaktion auf veränderte Benutzereingaben berechnet. (cg)

Online-Visualisierung des Bausteinverhaltens

MOSFET-Arbeitspunkte mit interaktiven Datenblättern schnell analysieren

Hohe Effizienz in Leistungsanwendungen

Robuste, diskrete 600-V-IGBTs sind bis 175 Grad qualifiziert

* Stein Nesbakk ist Marketing Engineer bei Nexperia

(ID:49836006)