POWER-MOSFETs

Auswahl des optimalen MOSFETs für Offline-Schaltnetzteile

| Autor / Redakteur: Marty Brown * / Gerd Kucera

Bild 1: Aufbau eines Standard-Planar-MOSFET (links) und verallgemeinerter Aufbau eines Superjunction-MOSFET (rechts).
Bild 1: Aufbau eines Standard-Planar-MOSFET (links) und verallgemeinerter Aufbau eines Superjunction-MOSFET (rechts). (Bild: D3)

In einem typischen Schaltnetzteil ist der MOSFET für den größten prozentualen Anteil der Verluste verantwortlich. Deshalb ist die bestmögliche Auswahl des Power-MOSFET so wichtig.

Während der MOSFET in einem Netzteil für den größten Anteil an den Verlusten verantwortlich ist, sind die Gleichrichterverluste eher von geringerer Bedeutung. Durch Untersuchung des Verhaltens und der Leistung des MOSFET lässt sich der Wirkungsgrad des Netzteils über dessen zu erwartenden Betriebsbereich signifikant verbessern. Die Optimierung des Wirkungsgrades des MOSFET in dem Betriebsbereich, in dem das Netzteil die meiste Zeit über betrieben wird, spart langfristig zudem Energie.

Vergleich unterschiedlicher MOSFET-Designs

Heutzutage stehen für die Auswahl von Silizium-MOSFETs zwei Hauptkategorien zur Verfügung: der Planar- und/oder Trench-MOSFET und der Superjunction-MOSFET. Planare MOSFETs haben ihre aktive Region in der Nähe der Oberfläche des Dies (Bild 1 links). Zur Verringerung des Durchgangswiderstands RDS(on), ist zusätzliche Chip-Fläche erforderlich. Um die Spannung des MOSFET zu erhöhen, muss die Chip-Dicke vergrößert werden.

Im Vergleich dazu nutzt ein Superjunction-MOSFET (Bild 1 rechts) seine Chip-Tiefe zur Vergrößerung des Kanalbereichs, was dessen RDS(on) für eine gegebene Chip-Fläche beträchtlich verringert. Durch Vergrößerung der Leitungsfläche innerhalb eines weitaus kleineren Oberflächenbereichs sind bei Superjunction-MOSFETs für alle Nennströme kleinere Chip-Flächen im Vergleich zu Planar-MOSFETs möglich. Als zusätzlichen Vorteil besitzen diese weitaus geringere parasitäre Kapazitäten mit deutlich höheren Schaltgeschwindigkeiten.

Tabelle zeigt eine Gegenüberstellung der wichtigsten Parameter zwischen einem Standard-Planar-MOSFET und einem von D3 neu eingeführten Hochleistungs-+FET-Superjunction-MOSFET mit nahezu identischer Drain-Spannung und identischem Nennstrom. Wie gezeigt, sind der RDS(on) und die unerwünschten parasitären Kapazitäten beim Superjunction-MOSFET deutlich geringer, während die Schaltzeiten dreimal höher sind.

Der wirklich bemerkenswerte Faktor ist die freie Chip-Fläche des Superjunction-MOSFET, die nur ein Drittel der des planaren MOSFET ausmacht. Der Vergleich der Wirkungsgrade zwischen einem Superjunction-MOSFET und einem Standard-Planar-MOSFET sagt viel darüber aus, wie Entwickler die Kosten und Schaltleistung eines typischen Offline-Schaltnetzteils optimieren können.

Die Superjunction-MOSFETs von D3 Semiconductor weisen eine um über 73% verringerte Chip-Fläche, eine um mehr als 50% verringerte Gate-Eingangskapazität (Ciss) sowie eine um über 69% geringere Miller-Kapazität (Crss) auf.

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