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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik MOSFET oszilliert bei Ansteuerung mit Thresholdspannung


Autor: Marek N. (bruderm)
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Hi Forum,

heute habe ich kurz vor Feierabend einen interessanten Effekt 
beobachtet.
Ich habe einige MOSFETs ausgemessen, da wir Qualitätsprobleme mit 
einigen Chargen vermuten.
Also habe ich eben schnell auf dem Steckbrett eine Schaltung aufgebaut, 
bei der die Gatespannung auf 0 V oder auf eine einstellbare Spannung 
geschaltet werden kann. In den Drain präge ich einen Konstantstrom von 
100 mA ein aus dem Labornetzteil (U_DS_max = 30 V). Mit dem Multimeter 
messe ich den Spannungsabfall U_DS als Funktion der Gatespannung.
Im Schaltbetrieb verhalten sich die Transistoren wie erwartet: Bei U_GS 
= 0...4 V sperren sie und ich messe die volle Netzteilspannung am Drain. 
Beo U_GS >> 4 V schalten sie durch und U_DS beträgt etwa 500 mV +/- 25 
mV. Das ist auch soweit OK, da sie einen R_DS_on von typ. 5 Ohm haben.
Soweit, so gut.

Was mir aber aufgefallen ist, dass wenn ich die Gatespannung langsam 
erhöhe, es zu einer Schwingung am Drain kommt, mit einer Amplitude von 
bis zu 200 V!
Stuzig geworden bin ich dadurch, dass das Netzteil, was ja eigentlich 
100 mA liefern sollte, in diesem Fall einen Overload ins negative 
angezeigt hat. Es wurde also offensichtlich Strom ins Netzteil 
zurückgespeist. Die Gatespannung habe ich aus einer externen 
Referenzspannungsquelle abgeleitet, deren OPV max. 10 mA bei 10 V 
abzugeben vermag.
Die Schwingungen konnte ich auf den Scope sehen. Woher sie aber kommen 
sollen, entzieht sich derzeit meinem Verständnis.

Mir ist klar, dass der fliegende Aufbau parasitäre Kapazitäten und 
Induktivitäten aufweist, aber so eine starke Schwingneigung hätte ich 
nur von Röhren erwartet.

Meine Erklärungsversuche:
* Rückwirkung der Drainspannung auf den Kanal und die Thresholdspannung: 
Durch die zusammenbrechende Drainspannung erhöht sich geringfügig die 
Thresholdspannung, Transistor will wieder sperren und fängt an zu 
schwingen.
* Lokale Hotspots im Substrat?
* Erdstrahlen?

Was meint ihr dazu?

Wie gesagt, war kurz vor Feierabend und konnte das nicht näher 
untersuchen.

Beste Grüße, Marek

P.S. den Typen des Transistors nenne ich absichtlich nicht, da es sich 
um einen etwas seltenen Exoten handelt und wir Qualitätsprobleme (an 
welcher Stelle auch immer?) vermuten. Er ist aber ausreichend 
spannungsfest.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Wenn der MOSFET sperrt und du an die DS-Strecke einen Konstantstrom 
einprägen willst, zerstörst du den MOSFET, wenn du über die maximale Uds 
Spannung kommst, oder wie machst du das?

Autor: Marek N. (bruderm)
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Hi,

das Labornetzteil ist auf 30 V und 100 mA eingestellt.
MOSFET sperrt: 30 V fallen ab
MOSFET leitet: 100 mA werden eingeprägt, es fällt dann R_DS_on * 100 mA 
= 500 mV ab.
Das ist OK soweit.

Mich verwirrt nur dieser metastabile Zustand beim Übergang von Sperren 
zu Leiten und eben diese hohe Amplitude der Schwingung.
Denn wenn das so ist, könnte man den gar nicht im Linear-Betrieb fahren 
:-(

Keine Sorge, so schnell geht der nicht kaputt, der hat im Regelbetrieb 
gaaanz andere Spannungen zu verkraften.

Beste Grüße, Marek

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ich sehe gerade, dass du das ja auch schon im Eingangspost erwähnt hast. 
Wenn da 200V entstehen, muss da meiner Meinung nach mindestens noch eine 
Induktivität im Spiel sein. Möglicherweise ist das die Induktivität der 
Zuleitungen zum Gate oder zum Drain.

Autor: j. c. (jesuschristus)
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Da schwingt nicht der Mosfet sondern Dein Messaufbau. Das erklärt 
vielleicht Eure "Qualitätsprobleme"...

Autor: Andreas G. (andreasgs)
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Habedere,

Wie sieht dein Aufbau aus? Vorallem die Querschnitte. Ich denke auch, 
dass sich da eine Induktivität(en) im Aufbau negativ auswirkt. Kann es 
sein, dass es dir über den Aufbau (Masseschleifen, erhöhter 
Spannungsabfall beim Einschalten des FETs) die GS - Spannung 
"verstellt"?

Gerade die Thresholdspannung sollte schnell überschritten werden 
(Gatestrom nicht begrenzt), da sich hier die parasitäten Kapazitäten des 
Fets umladen. Das Hinauszögern der Umladephase, in verbindung mit den 
Leitungsinduktivitäten kann schon dein Problem sein!

Ich denke, dass der Messaufbau zustande kam, weil sie Qualitätsprobleme 
in der Serie hatten, und nicht umgekehrt ;-). Kannst du näheres zum 
Fehlerbild in erzählen? Evtl. lässt sich dein Messaufbau noch 
verbessern.

Grüßle!

Autor: Marek N. (bruderm)
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Genau,

die Oszillationen kommen garantiert durch den luschigen, fliegenden 
Testaufbau (4 mm-Laborleitungen halt). Ich muss das morgen mal sauber 
aufstellen.
Die Platine läuft in Serie seit einigen Jahren, aber mit einer neuen 
Transistor-Charge gabs Probleme.
Also dachte ich, mache ich einen groben Vergleichsaufbau um bewährte und 
problematische Transistoren im gleichen Arbeitspunkt zu vergleichen. Per 
Zufall hab ich dann diese Selbsterregung beim Durchfahren der 
Gatespannung 'entdeckt'.

Die Transistoren dienen dazu, einen Hochspannungspuls zu erzeugen. Dabei 
werden sie am Gate mit einem Puls von x µs angesteuert, die Gatespannung 
beträgt dabei 6 bis 8 V. Anstiegszeiten muss ich mir morgen mal genauer 
aufm Scope anschaun.
Die neuen Transistoren konnten mit dieser Ansteuerung keinen 
zuverlässigen HV-Puls erzeugen und sind rasch ausgefallen.

Wie gesagt, kam kurz vor Feierabend rein. Muss ich morgen mal weiter 
verfolgen.

Gute Nacht, Marek

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Durch die Induktivität der Zuleitungen und die parasitären Kapazitäten
im Mosfet entsteht ein wunderschöner Oszillator :)

Autor: Marek N. (bruderm)
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Jau, sehr schön, so sah es auch auf dem Scope aus.
Wenigstens ein Problem, das reproduzierbar ist.

Jetzt gehts an die 'Qualitätsprobleme' löl

Beste Grüße, Marek

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