Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

120 Kapitel 5 Dynamisches Verhalten von SJ‐LDMOS‐Transistoren
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5.2 Schaltvorgang
5.2.1 Schaltzeiten bei induktiver Last
Die Lastimpedanz in den meisten leistungselektronischen Stromkreisen hat
induktiven Charakter. Beim Einschalten muss die Energie zunächst im Magnetfeld
der Spule gespeichert werden, was den Stromanstieg verzögert. Bei Unterbrechung
des Stromkreises möchte sich die gespeicherte Energie schlagartig über den Transis‐
tor entladen. Hierbei würde eine hohe Spannungsspitze im Transistor induziert, die
das Bauelement unwiderruflich zerstören kann. Zum Schutz gegen eine solche Über‐
spannung ist parallel zur induktiven Last eine Freilaufdiode geschaltet, so dass sie in
Rückwärtsrichtung mit der angelegten Versorgungsspannung beansprucht wird.
Über die Freilaufdiode wird dann beim Abschalten der Versorgungsspannung die
Überspannungsspitze kurzgeschlossen. Die induktive Last wirkt danach als
Spannungsquelle und treibt den Strom weiter, der dann in den Freilaufzweig der
Diode und der Induktivität kommutiert.
Eine allgemeine Testschaltung zur Untersuchung des Schaltverhaltens bei induktiver
Last mit Freilaufzweig ist in Abb. 5.7(a) zusammen mit zugehörigen Spannungs‐ und
Stromverläufen dargestellt (Abb. 5.7(b)). Der untersuchte SJ‐LDMOS wird über die
induktive Last L = 200 μH mit der Spannung UDD = 350 V versorgt. Anfangs ist der
Transistor gesperrt, es fließt der Laststrom IL = 20 A durch die Freilaufdiode und die
Induktivität. Am SJ‐LDMOS steht die Spannung UDS ≈ 350,8 V.
Das Einschalten erfolgt durch Anlegen einer impulsförmigen Spannung von 15 V
über den extern vorgeschalteten Gatewiderstand RG = 10 Ω an das Gate. Folglich
steigt die Gate‐Source‐Spannung UGS exponentiell mit der Zeit an (siehe Anhang D):
⎪⎧ ⎡ −t
⎤⎪⎫
UGS () t = UG⎨1−exp⎢
⎥⎬
⎪ ⎢RG( Cgs + Cgd
⎩ ⎣ ) ⎥⎦⎪⎭
Nach der Einschaltverzögerungszeit
⎡ U ⎤
td( on) = RG( Cgs + Cgd
) ln ⎢ ⎥
G
⎣UG −UGS(
TH)
⎦
(5.12)
(5.13)
ist die Einsatzspannung UGS(TH) erreicht. Zu diesem Zeitpunkt stellt sich der
Drainstrom ID ein, der Transistor geht vom Sperrzustand in den Sättigungsbereich
über. Dann wächst ID der Übertragungscharakteristik zufolge im Verhältnis zu UGS.
Es gilt deshalb