MOSFET Verlustleistung
Einleitung
Bei der Verwendung eines MOSFET treten bestimmte Verluste auf welche sich in verschiedene Kategorien Untergliedern lassen.
Je nach Bauteil und Ansteuerung fallen diese Verluste unterschiedlich ins Gewicht.
MOSFET als Schalter
Soll sich der MOSFET wie ein Schalter verhalten, sollten idealerweise keine Verluste auftreten.
Ist der MOSFET leitend, soll er wie eine Leitung funktionieren.
Das bedeutet: Es fließt Strom, die Spannung soll aber bei 0V liegen.
Somit ergibt sich idealerweise keine Verlustleistung (P=I*0=0).
Ist der MOSFET gesperrt, soll er wie eine Unterbrechung funktionieren.
Das bedeutet: Es fließt kein Strom, die volle Spannung fällt aber darüber ab.
Somit ergibt sich idealerweise keine Verlustleistung (P=0*U=0).
Verluste Allgemein
Eine Verlustleistung entsteht indem man Strom und Spannung multipliziert (P=U*I).
Die Verluste des MOSFET lassen sich in 4 Arten unterteilen:
– Leitendverluste
– Sperrverluste
– Ansteuerverluste
– Schaltverluste
Leitendverluste
Namensgebend treten die Leitendverluste beim MOSFET auf wenn er sich im
Grund für den Leitendverlust ist, dass die Durchlassspannung nicht ganz auf Null absinkt. Der Leitendverlust ist aber nicht abhängig vom Schalten somit nicht frequenzabhängig und ist so eher bei niedrigen Frequenzen dominant. Pv,on = RDSon ∙ IE
Sperrverlust
Der Sperrverlust entsteht beim Transistor, wenn dieser sich im gesperrten Zustand
befindet. Hierbei ist es möglich, dass obwohl der MOSFET gesperrt ist noch ein geringer Strom durch den Transistor fließt. Welcher dann zu den Verlusten führt.
Pv,off = IDSS ∙ UE
Der Sperrverlust entsteht beim Transistor, wenn dieser sich im gesperrten Zustand
befindet. Hierbei ist es möglich, dass obwohl der MOSFET gesperrt ist noch ein geringer Strom durch den Transistor fließt. Welcher dann zu den Verlusten führt.
Pv,off = IDSS ∙ UE
Ansteuerverlust
Im stationären Zustand, d.h. bei konstanter UGS (ohne den MOSFET umzuschalten) fließt in idealer Betrachtung in den Gate-Anschluss des MOSFET kein Strom (I=0).
In Realer Betrachtung, fließt in das Gate ein geringer Strom. Gegenüber den anderen Verlusten kann man daher die Ansteuerverluste allerdings oft vernachlässigen.
(Im Datenblatt oft als IGSS zu finden)
Schaltverluste
Die Schaltverluste treten namensgebend beim Umschalten vom leitenden in den nichtleitenden Zustand und umgekehrt auf. Die Verluste sind damit direkt proportional zur Schaltfrequenz.
Idealerweise sollte es auch die Schaltverluste nicht geben. Trotzdem sind sie in der Realität vorhanden. Dabei nehmen Strom und Spannung gleichzeitige, aber kurzzeitig (relativ) hohe Werte an, wodurch es zu hohen Verlustspitzen kommt.
Um die Schaltverluste zu berechnen sind die Anstiegs- und Abfallzeiten des MOSFETs wichtig. Parabolisch ist in der untenstehenden Abbildung die Kennlinie gezeigt (welche man auch oft einem Datenblatt entnehmen kann). Es handelt sich dabei um eine Anstiegszeit tr und eine Abfallzeit tf.
Es entsteht unten dargestellte Formel:
Woher kommt in der Formel die 1/6 ?
Bei UE und IE handelt es sich um die Maximalwerte welche beim Leitenden und Sperrenden Zustand am MOSFET zustande kommen. Beim Umschalten nimmt es Werte zwischen ca. 0 und dem entsprechenden Maximalwert an. Mit dem Vorfaktor 1/6 wird entsprechend dieser Zwischenwert beschrieben.
Woher kommt diese Verzögerung beim Umschalten?
⇨ Verzögerung beim Umschalten
Zusammenfassung
Die Verluste des MOSFET lassen sich in 4 Arten unterteilen:
– Leitendverluste
– Sperrverluste
– Ansteuerverluste
– Schaltverluste
Je nach dem wie schnell man den Transistor umschaltet, sprich mit welcher Frequenz man ihn ansteuert, fallen die Verluste unterschiedlich ins Gewicht.