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FET

Ein FET (engl. Field Effect Transistor) ist ein Feldeffekttransistor. Der FET ist ein Bauelement, das im Gegensatz zum Bipolartransistor (engl. Bipolar Junction Transistor, BJT) mit Spannung und nicht mit Strom gesteuert wird. Unterschieden werden

  • MOSFET = engl. Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; Metalloxidschicht-FET, größte Teilgruppe der FETs mit isoliertem Gate
  • JFET = engl. Junction Field Effect Transistor, Übergangszonen FET, der steuerbare Kanal wird durch einen PN-Übergang wie in einer Diode gebildet

Die drei Anschlüsse eines FETs werden Gate, Drain und Source genannt. Unter Umständen ist ein vierter Anschluß vorhanden, der Bulk genannt wird. Normalerweise ist Bulk intern mit Source verbunden. Wenn dies nicht der Fall ist, muss diese Verbindung durch den Designer in der Schaltung hergestellt werden.

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] FET-Typen

FETs werden hauptsächlich unterschieden in N-Kanal und P-Kanal, sowie "selbst sperrend = Anreicherungstyp" (engl. enhancement type) und "selbst leitend = Verarmungstyp" (engl. depletion type). Beim selbstleitenden FET ist der Transitor bei 0V Gate-Source Spannung maximal leitend (durchgesteuert) und wird durch Anlegen einer Spannung ans Gate gesperrt. Beim selbstsperrenden FET (größte Gruppe) ist der Transistor bei 0V Gate-Source Spannung gesperrt und wird durch Anlegen einer Spannung ans Gate leitend. Ist die Linie zwischen Drain und Source durchgezogen handelt es sich um einen selbstleitenden, bei einer gestrichelten Linie um einen selbstsperrenden FET. JFETs gibt es nur als Verarmungstyp. Im weiteren Artikel wird nur mehr der "selbstsperrende" MOSFET betrachtet.

Typen von Feldeffekttransistoren
 
Typ N-Kanal P-Kanal
JFET
  • drittgrößte Gruppe
  • bislang nur für kleine Leistungen verfügbar
  • JFETs mit hoher Leistung sind im Kommen
  • Eingangsstufen von OPVs
  • Eingangsstufen von HF-Verstärkern bis in den GHz-Bereich
  • als einfache Konstantstromquelle geeignet
  • selten
MOSFET
Anreicherungstyp
  • größte Gruppe
  • sehr viele Typen erhältlich
  • zweitgrößte Gruppe
  • bei gleicher Geometrie etwas schlechter als ein N-Kanal Typ
MOSFET
Verarmungstyp
  • selten
  • sehr selten

[Bearbeiten] Vorteile des FET

  • Meist niedrigere Verluste als bei Bipolartransistoren.
  • Sehr schnelles Schalten möglich, daher für sehr hohe Frequenzen geeignet (keine Speicherzeit wie beim BJT).
  • Einfaches Parallelschalten im Schaltbetrieb, da Unterschiede im RDS,on durch den positiven Temperaturkoeffizienten ausgeglichen werden.
  • Leistungslose Ansteuerung im statischen Fall, jedoch hohe Umladeverluste am Gate!
  • oft preiswerter als vergleichbare Bipolartransistoren (BJT)
  • Relativ unempfindlich gegen Überspannung zwischen Drain und Source. Bei Überschreitung der Maximalspannung zwischen Drain und Source findet ein sogenannter "Durchbruch" statt. Dies ist vergleichbar mit dem Zener-Effekt. Ist die Energiemenge begrenzt, ist dieser Durchbruch reversibel und der FET wird NICHT zerstört, im Gegensatz zum BJT.

[Bearbeiten] Nachteile des FET

  • Nur bedingt für hohe Spannungen geeignet, die ON-Verluste sind ab ca. 250V höher als bei einem IGBT.
  • Parasitäre Diode parallel zur Drain-Source Strecke ist immer enthalten, das (Ab-)Schaltverhalten dieser Dioden ist meist schlechter als separate Dioden, was häufig zu unerwünschten Schwingungen führt.
  • Empfindlicher gegen ESD am Gate als BJT
  • Positiver Temperaturkoeffizient (TK), der RDS,on ist stark temperaturabhängig und steigt von 25°C (Datenblattangabe) auf 150°C ungefähr um den Faktor 2. Dadurch steigen auch die Verluste und damit die Erwärmung des Bauteiles.

[Bearbeiten] Erklärung der wichtigsten Datenblattwerte

Parameter Symbol Wert (Beispiel) Erklärung
Drain Source (Breakdown) Voltage V(BR)_DSS oder V_DS 75V Maximale Spannungsfestigkeit des Bauteiles zwischen Drain und Source
Continuous Drain current I_D(on) 55A @125°C Maximaler Dauerstrom bei 125°C Gehäusetemperatur
Pulsed Drain Current ID_pulse oder I_CD(on) 240A Maximaler Pulsstrom (Achtung die zulässige Zeitdauer des Pulses kann nur über die maximale Junctiontemperatur ermittelt werden)
Repetetive Avalanche Energy t_sc 280mJ Maximale Energie, welche beim Avalance Durchbruch bei Überschreiten der maximalen Drain-Source Spannung im MOSFET bei z. B. 1% Puls/Pausen Verhältnis regelmäßig auftreten darf, ohne den FET zu schädigen
Drain-Source ON Resistance R_DS_ON 0,01Ω Widerstand des eingeschalteten FETs bei 25°C, V_GS = 10V und ID = 30A
Drain-Source ON Resistance R_DS_on 0,021Ω Widerstand des eingeschalteten FETs bei 175°C, V_GS = 10V und ID = 30A
Thermal Resistance (junction-case) R_th_JC 0,8K/W Thermischer Widerstand im Transistor vom eigentlichen Chip im Inneren (junction) bis zur Rückseite des Transistorgehäuses (case)
Gate-Source Threshold Voltage V_GS(th) 2,0-4,5V Gatespannung, ab welcher der Transistor minimal leitend wird (I_D typisch 100-200µA), große Toleranz, typisch 1:2 zwischen Minimum und Maximum
Turn-on Delay t_d(on) 40ns Verzögerung zwischen dem Einschalten am Gate bis zur Reaktion im Drainstrom
Rise Time t_r 200ns Anstiegszeit des Transistorstromes am Drain
Turn-off Delay t_d(off) 120ns Verzögerung zwischen Abschalten am Gate bis zur Reaktion im Drainstrom
Fall Time t_f 60ns Abfallzeit des Transistorstromes am Drain

Die oben genannten Zeiten gelten ausschließlich unter den angegebenen Messbedungungen (Gatewiderstand, Treiberspannung, etc.) und müssen für die eigene Anwendung ggf. neu berechnet werden. Meist wird man sie eher messen, weil die Rechung zu aufwändig und bisweilen unmöglich ist. Achtung: Die Tabelle ist nur für eine Temperatur von 25° C gültig !!

Gerade bei der Gate-Source Threshold Voltage VGS(th) gibt es hier immer wieder Verwirrung. Sie gibt an, ab welcher Spannung der MOSFET minimal leitfähig wird, je nach Datenblatt bei 100-250µA Drainstrom. Diese Spannung ist technologisch bedingt auch heute noch einer starken Toleranz unterworfen, typisch 1:2 zwischen Minimum und Maximum. Im praktischen Betrieb muss man mindestens das Doppelte anlegen, um den MOSFET voll aufzusteuern. Wer es solide machen will nimmt dabei typisch 10-15V für einen Standardtypen und 3-5V für einen Logic Level Mosfet, dabei immer den Wert aus dem Datenblatt beachten. Deshalb braucht man bei 5V Ansteuerung einen Typen, der sicher bei typ. 4,5V voll durchgesteuert ist, z.B. IRLZ34N. Bei 3,3V ist er bereits nicht mehr zuverlässig nutzbar. Es gibt auch Typen mit noch geringerer Spannung für Vollaussteuerung. Wer einen BUZ11 mit 5V ansteuert riskiert ein Abfackeln des MOSFETs, denn je nach Toleranz kann er bereit ganz gut aufgesteuert sein oder auch nicht.

Parasitäre Diode des FETs
Parameter Symbol Value (Beispiel) Erklärung
Continuous Current (Diode) I_S 75A Maximaler Dauerstrom der parasitären Diode, meist identisch zum maximalen Dauerstrom des MOSFETs
Forward Voltage (Diode) V_SD 1,0..1,3V Spannungsfall an der parasitären Diode
Reverse Recovery Time t_rr 80..120ns Zeit, die die Elektronen brauchen um aus der leitenden Diode vollständig abzufließen. Während dieser Zeit fließt der Strom in Rückwärtsrichtung durch die Diode.
Reverse Recovery Charge Q_rr 60nC Ladungsmenge, die während t_rr rückwärts durch die Diode fließt.

[Bearbeiten] Haupttypen und Gatespannungslevel

[Bearbeiten] Unterschied N-Kanal / P-Kanal FET

Im Schaltsymbol werden die MOSFET-Typen meist durch die Pfeilrichtung in der Mitte des Symbols (eigentlich "Bulk") vom oder zum Gate unterschieden. Zeigt der Pfeil zum Gate hin, handelt es sich um einen N-Kanal-FET, zeigt der Pfeil vom Gate weg um einen P-Kanal FET.

Der große Vorteil des N-Kanal FETs (Elektronenleitung) ist, daß er immer niederohmiger ist, als ein gleich großer P-Kanal FET (Löcherleitung). Daher sind P-Kanal Typen bei vergleichbaren Werten auch immer größer = teuerer da weniger Chips auf einem Wafer Platz haben.

Beim N-Kanal FET muss die Gatespannung positiv gegenüber Source sein. Dabei wird der FET dann leitend, wenn die sogenannte "threshold voltage" (Schwellenspannung) erreicht wird. Eine typische Anwendung ist z. B. ein Low-Side Schalter: Source an GND, Drain an die Last, Ansteuerung des N-Kanal FETs mit 12V gleichbedeutend mit 12V ÜBER den Source = GND Potential.

Beim P-Kanal FET muss die Gatespannung negativ gegenüber Source sein. Eine typische Anwendung ist z. B. ein High-Side Schalter: Source an z. B. 400V, Drain an die Last, Ansteuerung des P-Kanal FETs mit 388V also 12V UNTER dem Sourcepotential.

Natürlich kann ein High-Side Schalter auch mit einem N-Kanal FET realisiert werden, was in diesem Fall eine zusätzliche Spannungsquelle bedeutet, denn der FET wird dann mit 412V eingeschaltet. Beim P-Kanal FET ist diese zusätzliche Spannungsquelle nicht erforderlich.

Weblinks

[Bearbeiten] Unterschied Logic-Level / "Normal"-Level

Den meisten FETs ist gemein, daß sie mit einer Spannung von 10..15V angesteuert werden müssen, um den minimalen Einschaltwiderstand zu erreichen. Diese FETs lassen sich nicht ohne weiteres mit einem CMOS-Pegel von 5V ansteuern. Es gibt jedoch für diesen Anwendungsfall sogenannte "Logic Level" (LL) FETs, die schon bei einer Gatespannung von etwa 4,5V voll durchgesteuert sind. Einige Kleinsignal-FETs sind schon ab ca. 1,2V voll durchgesteuert.

[Bearbeiten] Beispiel zur Bauteiledimensionierung

[Bearbeiten] Spannungsfestigkeit

Die höchste vorkommende Betriebsspannung + Abschaltüberspannung soll kleiner als ca. 80% der Spannungsfestigkeit des Bauteiles sein.

Achtung: Zwischen dem je nach Anwendungsfall erforderlichen Pufferkondensator und dem FET wird es immer eine parasitäre Induktivität geben. Abhängig von Schaltgeschwindigkeit und Induktivität wird im Schaltmoment eine mehr oder weniger große Übrspannungsspitze produziert. Dieser Peak addiert sich auf die aktuelle Versorgungsspannung.

Überschlagsrechnung als Beispiel:

  • Schaltgeschwindigkeit: dI/dt = 100A/µs (= Abschalten von 5A innerhalb 50ns),
  • Induktivität: L = 1µH (~ 1 m loses, ungebündeltes Kabel)
  • dU=-L*dI/dt = -1µH * 100A / 1µs = 100V

Dies bedeutet, daß an der "Induktivität" zwischen Transistor und Kondensator - Aufgrund von Selbstinduktion im Schaltmoment - ein Überspannungspuls von ca. 100V entsteht, der auf die Betriebsspannung aufzuschlagen ist.

[Bearbeiten] Stromtragfähigkeit

In jedem Datenblatt ist eine Stromtragfähigkeit bei 25°C, und meist noch bei einer höheren Temperatur z.B. 125°C, 150°C oder 175°C Kühlfahnentemperatur angegeben. Dieser Wert ist als ERSTE Entscheidungsgrundlage ausreichend, aber aus der theoretisch abführbaren Verlustleistung errechnet, und

  • dient zum qualitativen Vergleich von Transistoren bezüglich ihres R_ds(on) und ihres Wärmewiderstands.
  • ist für die Dimensionierung einer Schaltung nur als Richtwert zu interpretieren.
  • ist ohne Schaltverluste genannt, und daher nur für einen Schaltbetrieb von wenigen Hz gültig. Außerdem wird ein annähernd idealer Kühlkörper unterstellt, der trotz der Verlustleistung das Gehäuse des Transistors auf der angegebenen Temperatur halten kann.
  • entbindet einen nicht davon den Kopf einzuschalten... siehe die nachfolgenden Zeilen.
  • Liegt der Strom für den die Schaltung entwickelt wird mit ca. 10..20% Abstand unter dem Datenblattwert von 125°C ist dieses Bauteil vermutlich verwendbar (siehe Detailberechnungen unten !).
  • Ist der benötigte Strom im Bereich oder größer als der zulässige bei 125°C sollte entweder ein anderer Typ eingesetzt oder mehrere FETs parallelgeschaltet werden.

[Bearbeiten] Verlustleistung

Hier wird eine Näherung für eine getaktete Anwendung betrachtet. In einem Transistor treten sowohl beim Ein- und Ausschalten, als auch während der Einschaltphase Verluste im Bauteil auf. Diese Verluste führen zu einer Bauteilerwärmung. Die dabei entstehende Temperatur darf die maximal zulässige Bauteiletemperatur nie überschreiten. Bei den ersten Projekten ist zu empfehlen eine berechnete Chiptemperatur von ca. 125°C nicht zu überschreiten. Fast alle aktuell verfügbaren FETs nennen im Datenblatt eine Temperatur von 175°C als ihre maximale Chiptemperatur.

Beispiel
Parameter Symbol Wert
Betriebsspannung UN 70 V
Nennstrom IN 30 A
Drain-Source Widerstand bei einer Chiptemperatur von 125°C und einer Gatespannung von 10V RDSon 17 mΩ
on-Zeit ton 150 µs
Schaltfrequenz ƒschalt 5 kHz, (T = 200µs)
Einschaltzeit (risetime) tr 500 ns
Ausschaltzeit (falltime) tƒ 800 ns

[Bearbeiten] Leitungsverluste

Während der FET bei PWM-Ansteuerung eingeschaltet ist, erzeugt er Verlustleitung.

P_\text{ON} = I_\mathrm{N}^2 \cdot R_\mathrm{DS_\mathrm{ON}} \cdot \frac{t_\mathrm{ON}}{T} = 30A^2 \cdot 17m\Omega \cdot \frac{150\mu s}{200\mu s} = 11{,}5W

[Bearbeiten] Schaltverluste

Vereinfachter Ansatz.

Einschalten:

\begin{align} P_\mathrm{SW_r} &= \tfrac14 \cdot U_N \cdot I_N \cdot \frac{t_r}{T} \\ &= \tfrac14 \cdot 70V \cdot 30A \cdot \frac{500ns}{200\mu s}=1{,}3W \end{align}

Ausschalten:

\begin{align} P_\mathrm{SW_f} &=\tfrac14 \cdot U_N \cdot I_N \cdot \frac{t_f}{T}\\ &=\tfrac14 \cdot 70V \cdot 30A \cdot \frac{800ns}{200\mu s}=1{,}85W \end{align}

Alternativ und genauer, wenn bekannt, P_sw_f = f_schalt·E_on bzw. P_sw_f = f_schalt * E_off d.h. Schaltfrequenz mal Ein(Aus)schaltverlustenergie. Aber Achtung! Die Randbedingungen unter denen die genannte Energie ermittelt wurde, müssen genau so zutreffen.

Die Gesamtverlustleistung beträgt also in etwa 15W.

Damit muß ein entsprechender Kühlkörper ausgelegt und die Chiptemperatur berechnet werden. z. B.:

  • Kühlkörper mit einem R_th von 0,2K/W
  • max. Umgebungstemperatur +60°C
  • R_th "junction-case" des FETs 0,8K/W
  • R_th der Wärmeleitfolie zwischen FET und Kühlkörper ca. 2,0K/W
  • R_th gesamt: 3,0K/W
  • Bei einer Verlustleistung von 18W und einer Umgebungstemperatur von 60°C hat der Chip eine Temperatur von ca. 18W * 3,0K/W +60°C = 114°C. ==> o.k.!

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß hier viele Vereinfachungen vorgenommen, und die Art der Last nicht beachtet wurde ist es sinnvoll, einen gewissen Sicherheitsabstand zu den zulässigen Maximalwerten einzuhalten. Daher ist es empfehlenswert, die Chiptemperatur auf ca. 125°C zu beschränken.

Des Weiteren ist hier die parasitäre Diode im FET nocht berücksichtigt. Wenn während der "off" Zeit ein Strom über die Diode fließt (Reverse recovery current oder Freilaufstrom), muß die dadurch zusätzlich entstehende Verlustleistung in die obige Berechnung der maximalen Chiptemperatur mit einfließen.

[Bearbeiten] Treiberleistung

Auch wenn der MOSFET ein spannungsgesteuertes Bauelement ist, muss trotzdem bei jedem Einschalten und bei jedem Ausschalten die Gatekapazität umgeladen werden. Bei einigen wenigen Leistungs-FET muss sogar teilweise mit negativer Spannung am Gate gearbeitet werden, um eine vollständige Sperrung zu erreichen. Diese Umladung muss möglichst schnell erfolgen, um die Verluste im FET während der Umschaltphase zu minimieren. Dazu findet ein Mosfet-Treiber Verwendung. Da die Gatekapazität nicht direkt im Datenblatt enthalten ist kann man sich mit der Eingangskapazität Ciss behelfen. Im Arbeitspunkt ist die Gatekapazität ungefähr 5x größer als der im Datenblatt für Ciss angegebene Wert. Daher berechnet sich die Treiberleistung wie folgt:

P_\text{Treiber} = C \cdot U^2 \cdot f = 5 \cdot C_\text{iss} \cdot U_\text{Gate}^2 \cdot f_\text{schalt}

1.Beispiel, kleine MOSFET-Steuerung mit niedriger Leistung und Frequenz.

P_\text{treiber} = 5 \cdot 4{,}8\,\text{nF} \cdot 15\,\text{V}^2 \cdot 10\,\text{kHz} = 54\,\text{mW}

2.Beispiel, sehr große MOSFET-Steuerung für Induktionsheizung mit sehr hoher Leistung und Frequenz.

P_\text{treiber} = 5 \cdot 24\,\text{nF} \cdot 15\,\text{V}^2 \cdot 250\,\text{kHz} = 6{,}75\,\text{W}

Aber Achtung, so ein MOSFET-Treiber hat auch einen Eigenverbrauch, der leicht zwischen 0,5 und 1 W liegen kann.

Bei niedrigen PWM-Frequenzen kann man Logic Level MOSFETs auch direkt per CMOS-Ausgang ansteuern, z.B. mit einem AVR, wie in diesem Forumsbeitrag zu sehen ist.

[Bearbeiten] Low- und High-Side

Definition LS- und HS:

Low-Side
Schalter, der FET schaltet eine Last gegen GND – auch als LS-Schalter bezeichnet.
High-Side
Schalter, der FET schaltet eine Last an die Versorgungsspannung – auch als HS-Schalter bezeichnet.

Anregungen oder Fragen auch gerne per Email an Powerfreak. Dieser Artikel kann dadurch regelmäßig erweitert und ggf. durch ein FAQ ergänzt werden.

[Bearbeiten] Linearbetrieb von MOSFETs

Der Großteil der Anwendungen nutzt MOSFETs als Schalter, d.h. der MOSFET ist entweder voll gesperrt oder voll durchgesteuert. Dafür gelten auch all die Hinweise in diesem Artikel. In bestimmten Anwendungen werden MOSFETs aber auch im Linearbetrieb eingesetzt, z.B in linearen Endstufen für Audio, Video, elektronischen Lasten und Stromquellen. Hier muss man einiges beachten. Ein verbreiteter Irrtum besteht darin zu glauben, MOSFETs könne man im Linearbetrieb einfach parallel schalten, weil der positive Temperaturkoeffizient von RDS-ON eine Symmetrierung bewirkt, ähnlich den Emitterwiderständen bei parallelgeschalteten Bipolartransistoren. Das ist falsch! Im Linearbetrieb spielt der Temperaturkoeffizient von RDS-ON keine Rolle, weil der MOSFET selten bis nie komplett durchgesteuert ist.

Hier spiel vielmehr der negative Temperaturkoeffizient (TK) der Thresholdspannung eine Rolle, vergleichbar dem negativen TK der Basis-Emitter-Spannung von Bipolartransistoren. D.h. mit steigender Temperatur und konstanter Gate-Source-Spannung steigt der Stromfluss der Drain-Source Strecke. In einer Parallelschaltung von MOSFETs würde dies bedeuten, dass der MOSFET mit dem geringfügig größeren Drainstrom (Fertigungstoleranzen) wärmer wird, was zu einem weiter steigenden Drainstrom und damit noch mehr Wärme führt. Damit ist die Schaltung thermisch instabil und würde zum Durchbrennen der MOSFETs führen, einer nach dem Anderen.

Um das zu verhindern muss man relativ große Ausgleichswiderstände in die Source-Leitung der einzelnen MOSFETs schalten, um diese Drift zu kompensieren. Dadurch verschlechtert sich natürlich den Wirkungsgrad des Verstärkers. Eine andere Möglichkeit ist die getrennte Ansteuerung der einzelnen MOSFETs, das wird oft in elektronischen Lasten bzw. Konstantstromquellen gemacht. Hier treten keine zusätzlichen Verluste auf und der Mehraufwand in der Ansteuerung ist meist unkritisch.

Weiterhin muss man beachten, dass viele der heutigen HochleistungsMOSFETs intern eine Parallelschaltung vieler kleiner MOSFET-Zellen sind, und somit bisweilen für den Linearbetrieb ungeeignet sind. Denn auch dort können einzelene Zellen überhitzen und durchbrennen (Hot spot). Ob ein MOSFET für den Linearbetrieb tauglich ist steht manchmal im Datenblatt, oft aber eher nicht, eben wiel die meisten MOSFETs als Schalter entwickelt und gebaut sind. Typische Vertreter für Linearbetrieb findet man in der MOSFET-Übersicht.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Weblinks

Von „http://www.mikrocontroller.net/articles/FET“
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