Stromrichtung FET

tsaG schrieb:
> Angenommen in einem FET ist durch eine passende Gate-Source-Spannung ein
> Leitender Kanal entstanden. Kann jetzt ein Strom sowohl von Source nach
> Drain
> als auch von Drain nach Source fließen?

Ja

tsaG schrieb:
> Wenn ja warum?

Gegenfrage: Warum nicht? In dem p-dortierte Substrat sind zwei 
n-dotierte Bereiche. Warum sollte also der Strom da nur in eine Richtung 
durchkönnen? Wenn man Bulk von Source trennen würde, hätte man ja einen 
komplett symmetrischen Aufbau.

tsaG schrieb:
> Oftmals ist bei Si-FETs eine parallele Diode eingezeichnet (meist im
> Schaltbild rechts) welche Funktion erfüllt die Diode?

Die erfüllt keine "Funktion" in dem Sinne. Schau dir mal an, wie ein FET 
physikalisch aufgebaut ist: Die Diode kommt einfach durch den p-n 
Übergang zustande.

Der Effekt wird auch bei Verpolschutzschaltungen ausgenutzt, als Hinweis 
auf eine Anwendung in der Praxis.

tsaG schrieb:
> welche Funktion erfüllt die Diode?

Um diese Frage exakt zu beantworten, ohne zu unterstellen, daß eine 
"geplante" Funktion gemeint sein müsse:

Bei Brückenschaltungen aus FET(s) ersetzt/ersetzen diese Diode(n) 
manchmal die "extra" Freilaufdiode(n), weil sie ja "eh schon da ist 
(sind)".

Auch wird manchmal bei Synchrongleichrichter-Schaltungen (eine der 
bekanntesten Anwendungen mit "Source-nach-Drain-Stromfluß") auf diese
Diode "zurückgegriffen" - und zwar z.B. beim Betrieb mancher 
LLC-Resonanzwandler bei geringer Last.

Dieter schrieb:
> Der Effekt wird auch bei Verpolschutzschaltungen ausgenutzt, als Hinweis
> auf eine Anwendung in der Praxis.

Oder bei BLDC-Treibern wenn der Motor gebremst und Strom zurückgespeist 
wird.

manchmal... schrieb:
> Um diese Frage exakt zu beantworten, ohne zu unterstellen, daß eine
> "geplante" Funktion gemeint sein müsse:

Falsch formuliert. Kann man so gar nicht richtig formulieren. Bitte den 
Satz einfach ignorieren, meine Absicht ergibt sich aus den Beispielen. 
(Und ist mit meinem Vorredner und Folgeredner identisch.)

manchmal... schrieb:
> Bei Brückenschaltungen aus FET(s) ersetzt/ersetzen diese Diode(n)
> manchmal die "extra" Freilaufdiode(n), weil sie ja "eh schon da ist
> (sind)".

Folglich bräuchte ich doch gar keine extra Freilaufdioden für den 
Freilaufpfad.
Warum werden die trotzdem oft eingebaut?

tsaG schrieb:
> manchmal... schrieb:
>> Bei Brückenschaltungen aus FET(s) ersetzt/ersetzen diese Diode(n)
>> manchmal die "extra" Freilaufdiode(n), weil sie ja "eh schon da ist
>> (sind)".
>
> Folglich bräuchte ich doch gar keine extra Freilaufdioden für den
> Freilaufpfad.
> Warum werden die trotzdem oft eingebaut?

Was für ein "Freilaufpfad"?

Die externe Freilaufdiode hat bessere elektrische Eigenschaften. Das ist 
meist der Hauptgrund.

Ralf B. schrieb:
> warum man die Bodydiode nicht optimiert:

Das tun sie doch, die Hersteller. Schaut doch mal in die Datenblätter 
moderner Mosfets.

M.A. S. schrieb:
> Beim Ausschalten induktiver Lasten entstehen sehr hohe Spannungsspitzen,
> wenn man dem Srom keinen Pfad zum Weiterfließen anbietet.
> Ein solcher Pfad ist der "Freilaufpfad".

Danke für die Erklärung. ICH weiß, was ein Freilaufpfad ist, das war
eine Denk-Hilfe für den TO. Es sollte auch klar sein, wo die 
Freilaufdiode
in der Schaltung liegt (um die Frage beantworten zu können).


Ralf B. schrieb:
> Weil eine Diode die du als Bauteil kaufst optimiert ist bezüglich
> Schaltverhalten und anderen Parametern.
>
> Wenn du jetzt fragst, warum man die Bodydiode nicht optimiert:
> weil es Geld kostet und nicht jede Anwendung eine Diode braucht und
> Wald- und Wiesendioden als Bauteile viel günstiger sind, wenn man doch
> eine benötigt.

So einen Quatsch habe ich lange nicht mehr gelesen. Bitte erst mal
verstehen, wie ein MOSFET aufgebaut ist und wie dieser funktioniert,
bevor hier so lustige Urban-Legends entstehen.

fdf schrieb:
> So einen Quatsch habe ich lange nicht mehr gelesen. Bitte erst mal
> verstehen, wie ein MOSFET aufgebaut ist und wie dieser funktioniert,
> bevor hier so lustige Urban-Legends entstehen.

Wieso Quatsch? Er hat doch recht: Die parasitäre Diode zu optimieren ist 
nicht wirklich sinnvoll, wenn es als Cent-Bauteile wesentlich bessere 
Dioden als eigenständiges Bauteil gibt (Davon abgesehen, dass man z.B. 
eine Schottky-Diode schwer als "Body-Diode" im MOSFET findet...).

der schreckliche Sven schrieb:
> Ralf B. schrieb:
>> warum man die Bodydiode nicht optimiert:
>
> Das tun sie doch, die Hersteller. Schaut doch mal in die Datenblätter
> moderner Mosfets.

Genau. Beispiel:
http://aosmd.com/pdfs/datasheet/AO3422.pdf

Reverse Recovery Time 30ns ist gar nicht so schlecht, für ein 
parasitäres Element.

jz23 schrieb:
> Wieso Quatsch? Er hat doch recht

Nein, hat er nicht. Die ganze Argumentationskette ist Unsinn.

Die parasitäre Body-Diode ist ein Abfallprodukt und kein
primäres Leistungsmerkmal eines MOSFET. Da wird gar nichts optimiert.


soso schrieb:
> Genau. Beispiel:
> http://aosmd.com/pdfs/datasheet/AO3422.pdf
>
> Reverse Recovery Time 30ns ist gar nicht so schlecht, für ein
> parasitäres Element.

Noch so ein Schlaumeier. Was soll denn jetzt diese Aussage?
Das Verhalten wurde ausgemessen und der Spezifikation hinzugefügt.
Da wurde nichts absichtlich optimiert und basierend auf dieser
einen Spezifikation ein ach-so-toller MOSFET entwickelt.

Ob 30ns nun gut sind oder nicht, steht gar nicht zur Diskussion.

fdf schrieb:
> Da wurde nichts absichtlich optimiert

Und Du hast Dich nicht absichtlich informiert.

Heutzutage werden Mosfets für geschaltete Spannungsregler optimiert, bei 
denen in einer Halbbrücke einer als Freilaufdiode fungiert. Da in einer 
Halbbrücke nicht beide Mosfets gleichzeitig an sein dürfen, gibt es eine 
Totzeit, während der die Bodydiode den Strom übernimmt. Darum ist die 
Bodydiode auf kürzeste trr undsoweiter optimiert. Und zwar mit Absicht.

fdf schrieb:
> Noch so ein Schlaumeier. Was soll denn jetzt diese Aussage?
> Das Verhalten wurde ausgemessen und der Spezifikation hinzugefügt.
> Da wurde nichts absichtlich optimiert und basierend auf dieser
> einen Spezifikation ein ach-so-toller MOSFET entwickelt.
>
> Ob 30ns nun gut sind oder nicht, steht gar nicht zur Diskussion.

Das ist schon gut, und ich denke, das wurde auch etwas optimiert. Eine 
normale Gleichrichterdiode (wie eine UF4001) ist zum Beispiel schlechter 
(die ist mit 50ns angegeben). Jetzt ist eine UF4001 aber schon eine 
optimierte Ultrafast-Diode.
Die 30ns sind also respektabel.

Ist ja auch klar:
Es MUSS optimiert werden, sonst sind FET in Vollbrücken quasi 
unbenutzbar, oder man müsste Dioden parallel schalten. FET sind für 
Schaltaufgaben optimiert, insbesondere diese HEX.- Trench.- usw Typen, 
die man heute häufig findet.

Das ist eine Diode oft keine Option.

Wenn du andere Einblicke hast, dann teile sie mit uns. Bitte mit 
Quellen. Ich habe eine Quelle genannt, ein Datenblatt.

Im Übrigen wäre ich für eine sachliche Diskussion dankbar.

Hab mal nach Belegen gegoogelt.

Beispiel:
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ApplicationNote_OptiMOS_5_150V-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462576f34750157b31dd2c519cf

Siehe Kapitel 7.

Mir ist das so oder so ähnlich auch von anderen Herstellern bekannt, 
unter anderem von AON, von einem Gespräch mit einem FAE (darum hab ich 
den AO3422 genannt).

Na, da lehnt sich ber ein gewisser fdf sehr weit aus dem Fenster. Ich 
hatte vor 30 Jahren genau mit dem Thema zu tun: "intrinsic (reverse) 
diode" benutzen oder nicht? Und selbstverständlich hatten die 
bedeutendsten Hersteller damals längst begonnen, eben diese "intrinsic 
diode" zu optimieren. Der Rds(ON) war ja bereits für TO220-Gehäuse-Typen 
auf unter 50 Milliohm heruntergedrückt worden. Das war also kein Thema 
mehr. Nur galt halt immer noch der Lehrsatz in der durchweg 
englischsprachigen Fachliteratur der Erstlieferanten:"The best way to 
use the inrinsic diode is not to use it". Siliconix veröffentlichte in 
seinen Data-books aber längst eine "digitale" 
Audio-Endverstärker-Schaltung mit 200kHz-Arbeitsfrequenz, eine getastete 
Endstufe für induktive Lasten namens Hifi-Lautsprecher. Und 
"International Rectifier" entwickelte sich zum Top-Player mit seiner 
Reihe um den IRF 540, auch IRF 640 herum. Dort war auch exakt 
beschrieben, wie man die (hauseigenen) Power-Mosfets in einer H-Brücke 
anzusteuern hat, damit man eben keine externen Dioden mehr braucht. Der 
englische Lehrsatz war "gebrochen", ein echter Break-Through. Und die 
Konkurrenz meines damaligen Arbeitgebers lieferte bereits Motor-Servos 
in Serie, mit eben jenen IRFs..."virtually indestructable". Und die 
Literatur dazu war damals....auf Papier, muahahahaaa...(ja, wir konnten 
noch lesen!!)

Selbstverständlich wird die parasitäre Diode in Leistungsbauteilen 
optimiert, sie hat nämlich ganz erhebliche Auswirkungen auf die 
erreichbaren Schaltverluste des Bauteils. Und es ist völlig sinnlos in 
einer hart schaltenden Anwendung eine externe Diode mit besseren 
Parametern zu der Diode im FET parallel zu schalten. Der Grund liegt in 
den parasitären Elementen des Aufbaus. Die Stromschleife zwischen den 
beiden (interner und externer) Dioden hat schnell mal einige 10nH an 
Induktivität - der Strom hat während einer kurzen Totzeit von einigen 
10ns nicht ansatzweise genug Zeit in die externe Diode abzukommutieren. 
Nach Ablauf der Totzeit treibt der einschaltende MOSFET dann die interne 
Diode voll ins Reverse Recovery und verursacht erhebliche 
Schaltverluste.

[Mod: unnötige persönliche Angriffe ohne Informationsverlust gelöscht]

Blubbb schrieb:
> Der Grund liegt in
> den parasitären Elementen des Aufbaus. Die Stromschleife zwischen den
> beiden (interner und externer) Dioden hat schnell mal einige 10nH an
> Induktivität

Das Argument würde ich gelten lassen, wenn die Substratdiode des 
geschalteten FETs den Strom übernehmen könnte. Dann könnte der Strom auf 
dem selben Pfad weiterfließen ohne größere Schleifenfläche - was aber so 
nicht stattfindet.

Wenn du einen FET in der Brücke abschaltest übernimmt jeweils die 
Substratdiode des anderen FETs im selben Brückenzweig den Strom (nicht 
die Substratdiode des geschalteten FET). Deshalb musst du eine gewisse 
"externe" Stromschleife immer kommutieren. Die parasitäre 
Schleifeninduktivität wirst du mit Nutzung der Substratdioden genau so 
wenig los wie mit Nutzung von externen Dioden.

Achim S. schrieb:
> Das Argument würde ich gelten lassen, wenn die Substratdiode des
> geschalteten FETs den Strom übernehmen könnte. Dann könnte der Strom auf
> dem selben Pfad weiterfließen ohne größere Schleifenfläche - was aber so
> nicht stattfindet.
>
> Wenn du einen FET in der Brücke abschaltest übernimmt jeweils die
> Substratdiode des anderen FETs im selben Brückenzweig den Strom (nicht
> die Substratdiode des geschalteten FET). Deshalb musst du eine gewisse
> "externe" Stromschleife immer kommutieren. Die parasitäre
> Schleifeninduktivität wirst du mit Nutzung der Substratdioden genau so
> wenig los wie mit Nutzung von externen Dioden.

Du hast die falsche Schaltflanke im Kopf. Es geht um die hart schaltende 
Schaltflanke. Annahme: Lowside FET ist leitend und Stromrichtung 
"positiv", also der Strom fliesst aus der Brücke hinaus zur Last. Nun 
schaltet der Lowside FET ab. Der Strom wechselt nun aus dem Kanal in die 
Substratdiode des gerade noch leitfähigen FETs. Nach Ablauf der 
Interlockzeit schaltet dann der Highside FET ein. Der Strom hat während 
der Interlockzeit keine Chance in die externe Diode zu wechseln.

Blubbb schrieb:
> Lowside FET ist leitend und Stromrichtung
> "positiv", also der Strom fliesst aus der Brücke hinaus zur Last. Nun
> schaltet der Lowside FET ab. Der Strom wechselt nun aus dem Kanal in die
> Substratdiode des gerade noch leitfähigen FETs.

Du meinst das Abschalten des aktiven Freilaufs? Ok, diese Flanke kann es 
in der Brückensteuerung auch geben, und dafür hat die interne Diode 
tatsächlich Vorteile gegenüber der externen. Das zählt als Argument für 
die Aussage:

Blubbb schrieb:
> Selbstverständlich wird die parasitäre Diode in Leistungsbauteilen
> optimiert, sie hat nämlich ganz erhebliche Auswirkungen auf die
> erreichbaren Schaltverluste des Bauteils.


Die Aussage

Blubbb schrieb:
> Und es ist völlig sinnlos in
> einer hart schaltenden Anwendung eine externe Diode mit besseren
> Parametern zu der Diode im FET parallel zu schalten.

ist damit aber trotzdem nicht begründet, da es ja die "normale" 
Abschaltflanke mit unvermeidbarer Stromschleife im Brückenbetrieb ebenso 
gibt, und für diese die besseren Eigenschaften einer externen Diode 
weiter zum Tragen kommen können (ohne dass Substratdiode einen Vorteil 
gegenüber der externe Diode aufgrund einer kleineren Stromschleife 
hätte).

Oder zählt diese Flanke bei deiner Brücke nicht als hart schaltend?

Achim S. schrieb:
> Aussage
> Blubbb schrieb:
>> Und es ist völlig sinnlos in
>> einer hart schaltenden Anwendung eine externe Diode mit besseren
>> Parametern zu der Diode im FET parallel zu schalten.
>
> ist damit aber trotzdem nicht begründet, da es ja die "normale"
> Abschaltflanke mit unvermeidbarer Stromschleife im Brückenbetrieb ebenso
> gibt, und für diese die besseren Eigenschaften einer externen Diode
> weiter zum Tragen kommen können (ohne dass Substratdiode einen Vorteil
> gegenüber der externe Diode aufgrund einer kleineren Stromschleife
> hätte).
> Oder zählt diese Flanke bei deiner Brücke nicht als hart schaltend?

Doch! Gerade darum geht es ja. Überleg dir was am Ende der Totzeit 
passiert, am Ende des Totzeitintervalls ist immer noch die "schlechte" 
Diode im Lowside FET leitend. Der Strom hatte noch keine Zeit in die 
externe Diode umzukommutieren. Als parasitäre Induktivität hast du 
schnell 30nH zusammen, die Flusspannung an der internen Diode ist 
vielleicht 1V. In 30ns Totzeit kannst du somit maximal 1A Strom in der 
externen Diode aufbauen, der Grossteil des Laststroms fliesst immer noch 
durch die interne Bodydiode. Wenn nun die Highside einschaltet schaltet 
diese also auf eine nicht gesperrte interne Diode mit entsprechender 
Reverse Recovery Ladung. Und die Anteile des Reverse Recovery Effekts an 
den Schaltverlusten sind je nach Anwendung gewaltig, ganz besonders bei 
höheren Sperrschichttemperaturen.

Hm, reden wir hier gerade aneinander vorbei? Ich versuchs mal andersum:

Sind wir uns einig, dass es bei dem Betrieb der Brücke ein Abschalten 
von FETs gibt, bei dem der Strom zwingend auf ein anderes Bauelement 
umkommutieren muss? (der High-Side FET hatte Strom geliefert. Jetzt ist 
er aus, die Spannung rauscht von der induktiven Last getriebennach unten 
und ein anderes Bauelement muss den Strom von der Low-Side 
weiterliefern). Das andere Bauelement kann die Substratdiode des 
low-side FETs sein oder eine parallel dazu liegende externe Diode 
("später" übernimmt dann der eingeschaltete low-side FET den Strom per 
akivem Freilauf).

Sind wir uns weiter darüber einig, dass es für diese Flanke keinen 
relevanten Unterschied bezüglich parasitärer Eigenschaften der 
Stromschleife gibt zwischen der Substratdiode des zweiten FETs und der 
dazu parallel liegenden externen Diode? (beide Bauelemente waren zuvor 
stromlos, der Strom kam aus dem high-side FET.)

Falls beides zutrifft: ist dann nicht ein möglichst "gutes" 
Schaltverhalten der Diode von Vorteil im Hinblick auf die Verluste und 
ist das nicht ein direkter Widerspruch zu der Aussage:

Blubbb schrieb:
> Und es ist völlig sinnlos in
> einer hart schaltenden Anwendung eine externe Diode mit besseren
> Parametern zu der Diode im FET parallel zu schalten.

Achim S. schrieb:
> Hm, reden wir hier gerade aneinander vorbei?

Ja scheint so:

Achim S. schrieb:
> Sind wir uns einig, dass es bei dem Betrieb der Brücke ein Abschalten
> von FETs gibt, bei dem der Strom zwingend auf ein anderes Bauelement
> umkommutieren muss? (der High-Side FET hatte Strom geliefert. Jetzt ist
> er aus, die Spannung rauscht von der induktiven Last getriebennach unten
> und ein anderes Bauelement muss den Strom von der Low-Side
> weiterliefern). Das andere Bauelement kann die Substratdiode des
> low-side FETs sein oder eine parallel dazu liegende externe Diode
> ("später" übernimmt dann der eingeschaltete low-side FET den Strom per
> akivem Freilauf).
> Sind wir uns weiter darüber einig, dass es für diese Flanke keinen
> relevanten Unterschied bezüglich parasitärer Eigenschaften der
> Stromschleife gibt zwischen der Substratdiode des zweiten FETs und der
> dazu parallel liegenden externen Diode? (beide Bauelemente waren zuvor
> stromlos, der Strom kam aus dem high-side FET.)

Das ist soweit richtig. Das ist aber die weiche Flanke (du hast an 
dieser Flanke zero-voltage switching (ZVS)). Für diese Flanke ist das 
Schaltverhalten der Diode nicht annähernd so entscheiden da es hier kein 
Reverse Recovery gibt. Der Strom wird während der Flanke von den 
parasitären Kapazitäten der Schalter geführt, nach dem erreichen der 
Flussspannung wird er von der Diode übernommen. Die Schaltverluste 
entstehen hier hauptsächlich im Kanal des abschaltenden FETs, die 
Schaltverluste auf der Lowside sind vernachlässigbar klein und de facto 
irrelevant.

Die betreffende Flanke von der ich geschrieben habe ist die hart 
schaltende Flanke (gleiche Stromrichtung, aber von Lowside nach Highside 
zurück). Und bei dieser Flanke hat der Laststrom kaum Zeit vom gerade 
abgeschalteten FET in die externe Diode umzukommutieren bis auch schon 
die Highside wieder einschaltet. Die Induktivität von der ich 
geschrieben habe ist die Leiterschleife die die beiden Dioden (interne 
und externe) miteinander aufspannen. Der Highside Schalter ist nicht in 
diesem erwähnten Strompfad enthalten.
Die Schaltverluste der harten Flanke sind erheblich höher als die der 
weichen - einerseits durch das Reverse Recovery, zudem wird bei der 
harten Flanke auch die gespeicherte Ladung in den parasitären 
Kapazitäten verheizt. Die Kanalverluste welche du beim weichen Schalten 
hast kommen auch noch dazu.

tsaG schrieb:
> Kann jetzt ein Strom sowohl von Source nach
> Drain
> als auch von Drain nach Source fließen? Wenn ja warum?

Ja, wegen des symmetrischen Aufbaus.
Der bekannte BF245 z.B. sowie etliche weitere JFETs sind explizit als 
symmetrische Typen ausgewiesen, d.h. du darfst ungestraft D und S 
vertauschen.

MOSFETs hingegen sind wegen der parasitären Substratdiode meist 
unsymmetrisch.

Markus H. schrieb:
> Wieso sollte man denn die schlechte Substratdiode nutzen wenn man doch
> parallel einen richtig fetten Mosfet hat.


Also noch mal.

Die "Diode", die im Symbol des MOSFETs angedeutet wird, ist keine 
absichtliche oder zusätzliche Diode im Transistor.

Es ist ein Verhalten des Kanals. Die "Diode" hat auch die selben
thermischen Eigenschaften, wie der MOSFET an sich.

Daher wird auch nie diese "Diode" optimiert, sondern Eigenschaften des
MOSFETs.

Markus H. schrieb:
> Wieso sollte man denn die schlechte Substratdiode nutzen wenn man doch
> parallel einen richtig fetten Mosfet hat.

Weil es (zumindest in Bezug auf die Schaltverluste) eben eine Totzeit 
gibt während derer man sich das nicht wirklich aussuchen kann.

Streitet Euch nicht, ein Mod hat bereits eingegriffen. Der ursprüngliche 
Fragesteller hat sich längst aus dem Thread verabschiedet und einen 
neuen eröffnet. Ihr habt alle z. T recht und manchesmal auch nicht. 
JFETs sind halt das ziemliche Gegenteil von MOSFETs, zur Erinnerung 
"junction"="Verbindung" des Gates versus "Metal Oxide"=Isolator 
dazwischen, Gate eben nicht "galvanischer Verbindung" mit dem Rest... 
Die antiparallel eingezeichnete Diode bei MOSFEts soll vor allem die 
Nicht-Steuerbarkeit des Bauteils in dieser Richtung belegen. Während 
also die Drain-Source-Strecke eines JFETs steuerbar bleibt 
(eingangsseitig) ist sie beim MOSFET in der "Sperrichtung" des 
eigentlichen "Transistors" nicht mehr "eingangsseitig" steuerbar, 
sondern stets leitend, sobald nur über der Ausgangsseite die 
entsprechende Polarität anliegt. Der Aspekt der induktiven 
Leiterschleife ist hervorragend beschrieben worden. Daß man sich`s je 
nach Anwendungsfall auch nicht wirklich aussuchen kann auch. Völlig 
falsch ist die Unterstellung FETs an sich seien immer symmetrisch (Beleg 
mit Bild, etc.) Einfach mal die Eingangskapazität eines typischen 
MOSFETS (bis 30 Ampere) messen/nachlesen, damals zu meiner Zeit locker 
1...2nF, aber eben Gate-Source und eben nicht Gate-Drain. Genauso dürfen 
natürlich am Drain (heutzutage) einige 100 Volt zappeln, solange nur die 
Ansteuerschaltung des Gates genügend niederohmig ist (Millerkapzität). 
Und falls Ihr Euch noch weiter "akademisch" streiten wollt: Motor als 
Last einer H-Brücke und die Bedtriebsbedingungen "free-wheel", "stall", 
"full-speed drive reverse". Ab da wird der "fünfte Fet" in der H-Brücke 
Pflicht. Noch viel Spaß beim Diskutieren.