Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Die bipolare Inversdiode kann i.a. bis zu den für den MOSFET spezifizierten Stromgrenzwerten
ausgenutzt werden. In der praktischen Anwendung zeigt sich jedoch meist, dass
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die Inversdiode relativ große Durchlassverluste verursacht, die mit den MOSFET-Verlusten abgeführt
werden müssen und
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das schlechte Ausschaltverhalten und relativ niedrige dv/dt-Grenzwerte dieser pin-Diode in Anwendungen
mit hartem Schalten eine praktische Einsatzgrenze für MOSFET-Brückenschaltungen
bestimmt.
Wie in Bild 2.4.18 dargestellt, kann der MOSFET-Kanal auch bei negativer Drain-Source-Spannung
leitfähig gesteuert werden, wenn eine Gate-Source-Spannung oberhalb der Schwellenspannung
angelegt wird.
Wird die Drain-Source-Spannung dabei extern - z.B. durch Parallelschaltung einer Schottkydiode
- auf Werte unterhalb der Inversdioden-Schleusenspannung begrenzt, bleibt der Inversstrom ein
unipolarer Elektronenstrom (Majoritätsträgerstrom) vom Drain- zum Sourceanschluss. Ihr Ausschaltverhalten
entspricht demnach dem des MOSFET. Der Inversstrom ist von -V DS
und V GS
abhängig
(Bild 2.4.18b).
Der Betriebsfall nach Bild 2.4.18c mit kombiniertem Stromfluss tritt ein, wenn der Kanal bei leitender
bipolarer Inversdiode (Drain-Source-Spannung oberhalb Schleusenspannung) zusätzlich
aufgesteuert wird. Es ergibt sich eine gegenüber der einfachen Parallelschaltung von Diode und
MOSFET kleinere Durchlassspannung, da die injizierten Ladungsträger auch seitlich diffundieren
und dadurch die Leitfähigkeit im MOSFET erhöhen.
Dieses Verhalten wird inzwischen in der Niederspannungs-Stromversorgungstechnik ausgenutzt,
wo „Synchrongleichrichter“ mit MOSFET herkömmliche Diodengleichrichter ersetzen können.
Werden die MOSFET während der Leitphase ihrer Inversdiode angesteuert, lässt sich z.B. in
Schaltnetzteilen mit < 15 V Ausgangsspannung aufgrund der sehr niedrigen Durchlassspannung
(einige 10 mV) gegenüber einer konventionellen Diodengleichrichtung (Durchlassspannung mehrere
100 mV) ein deutlicher Wirkungsgradgewinn erzielen.
2.4.3.2 Schaltverhalten
Das Schaltverhalten (Schaltgeschwindigkeit, Schaltverluste) der MOSFET-Leistungsmodule wird
durch deren strukturbedingte, interne Kapazitäten und die internen und Anschlusswiderstände
bestimmt. Entgegen der Idealvorstellung einer leistungslosen Spannungssteuerung über das
MOSFET-Gate resultiert aus den beim Schalten notwendigen Umladeströmen der internen Kapazitäten
ein schaltfrequenzabhängiger Bedarf an Ansteuerleistung. Weiterhin beeinflussen die
bei der Zusammenschaltung von Transistorchips in Leistungsmodulen entstehenden und in deren
Zuleitungen vorhandenen parasitären Verbindungsinduktivitäten die Kommutierungsvorgänge,
induzieren transiente Überspannungen und können mit den stromkreis- und transistorinternen
Kapazitäten Schwingungen anregen, vgl. Kap. 5.
Das Schaltverhalten von Leistungs-MOSFET kann aus der Wirkung der transistorinternen Kapazitäten
und Widerstände qualitativ wie folgt beschrieben werden:
Bei ausgeschaltetem MOSFET ist C GD
klein und entspricht etwa C DS
.
Im Durchlasszustand wächst C GD
infolge Inversion der Anreicherungsschicht unter den Gatezonen
sprunghaft an, sobald die Gate-Source-Spannung größer als die Drain-Source-Spannung wird.
In den Datenblättern (vgl. Kap. 3.4.3) sind meist die Kleinsignal-Kapazitäten C iss
, C rss
und C oss
des
ausgeschalteten Transistors aufgeführt, siehe Tabelle 2.4.4.
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