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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Zu beachten ist, dass die Verlustleistung des FET einen Kühlkörper erforderlich machen kann. Der für R_DS(on) gewählte Wert wirkt sich direkt auf die Worst-Case-Verlustleistung aus, was die Anforderungen an den Kühlkörper vorgibt. Die Wahl des RDS(on) kann ein iterativer Prozess sein, bei dem der Wert auf Basis des erforderlichen Kühlkörpers oder der Luftkühlung für das System ermittelt wird.

Bei höheren Leistungen spielt der Wirkungsgrad die wichtigste Rolle, da eine geringe Verlustleistung die Anforderungen an den Kühlkörper bzw. den Luftstrom verringert. Der R_DS(on)-Wert indess beeinflusst die Anforderungen an den Kühlkörper und legt fest, ob ein Luftstrom zur Kühlung erforderlich ist oder nicht. Es kann kostengünstiger sein, einen teuren FET mit einem niedrigeren R_DS(on) zu wählen (der einen höheren Wirkungsgrad besitzt), um somit die Kosten für die Kühlung einzusparen.

Bildergalerie

Bei der Auswahl sollte stets der Worst-Case-R_DS(on) angenommen werden. Die Ladungspumpe des ISL6144 ermöglicht eine Gate-FET-Ansteuerung 10 V oberhalb der Versorgungsspannung. Daher müssen die FET-Merkmale bei einer Ansteuerung mit Ugs(on) = 10 V überprüft werden. Die Wahl eines FET für schnelles Schalten ist nicht erforderlich. In dieser Anwendung werden die FETs langsam ein- und ausgeschaltet, was eine Minimierung der Gate-Ladung erübrigt.

Power-Tipp

Vier Möglichkeiten negative Spannungen zu erzeugen

FETs contra Dioden: eine nähere Betrachtung

Um die wahren Vorteile von FETs gegenüber Dioden in einem redundanten Stromversorgungssystem nutzen zu können, muss eine geringere Verlustleistung im FET unter Worst-Case-Bedingungen erzielt werden. Diese Verlustleistung sollte niedriger sein als bei Dioden. Im eingangs beschriebenen Beispiel-System verbraucht jede Diode 10 W unter normalen Betriebsbedingungen. Fällt eine Diode aus, muss die andere Diode die gesamten 40 A übernehmen. Das Diodensystem erreicht dann eine Durchlassspannung von 0,6 V und damit im Worst-Case eine Verlustleistung von 24 W.

Im FET-System tritt die Worst-Case-Verlustleistung bei einem Ausfall des Systems auf. Dann wird ein FET gezwungen, die gesamte Last von 40 A zu übernehmen. Ziel ist es, den FET mit dem niedrigsten R_DS(on) zu wählen, damit sich der Wirkungsgrad erhöht und sich die Anforderungen an die Kühlung minimieren.

Nachdem dieser Punkt im Design erreicht ist, erfolgt die Auswahl des FETs bei Ihrem bevorzugten Distributor. Viele Distributoren bieten Suchhilfen, die eine Eingabe der verschiedenen FET-Parameter ermöglichen und eine Liste entsprechender Bausteine ausgeben. Da der R_DS(on) ein entscheidender Parameter in dieser Anwendung ist, wollen Sie nach Bausteinen mit dem niedrigsten R_DS(on) suchen, die zu vernünftigen Kosten erhältlich sind. Durch die Preisvorgabe des Distributors lassen sich die Kosten für FETs mit niedrigem R_DS(on) gut abschätzen.

Über die Online-Suchhilfe des Distributors haben wir beispielsweise einen FET mit 60 V Durchbruchspannung und 100 A mit einem R_DS(on) von etwa 4,3 mΩ bei 125 °C gefunden – und das für einen Preis von weniger als 1 US-$ für 1000 Stück.

Beim Einsatz dieses FETs sollte zuerst die Worst-Case-Verlustleistung überprüft werden, die in diesem Fall eine ausgefallene Versorgung mit berücksichtigt. Unter diesen Umständen beträgt die I²R-Verlustleistung: 40 A x 40 A x 0,0043 Ω = 6,88 W. Unter Normalbedingungen (kein Fehler) führt jeder FET einen Strom von 20 A und arbeitet bei einer niedrigeren Temperatur. Dies führt zu einem niedrigeren R_DS(on) und geringeren Verlusten.

Ist die Verlustleistung bekannt, lässt sich das Kühlsystem spezifizieren, das auch die in den anderen Bauelementen erzeugte Wärme mit abführen muss. Dabei zeigt sich, ob ein Kühlkörper zum Einsatz kommt oder eine Luftkühlung ausreicht. Schließlich muss noch die Spannungsregelung des gewählten FET überprüft werden. Bei 40 A Stromfluss und einem R_DS(on) von 4,3 mΩ beträgt der Spannungsabfall 40 A x 0,0043 Ω = 0,172 V. Der 48-V-Ausgang ändert sich damit nur um 0,172 V zu 48 V = 0,35%.

Die hier beschriebenen Auswahl- und Design-Hinweise für den Leistungs-FET sollen bei der Entwicklung kommender Stromverteilungssysteme helfen. Bedenken Sie, dass diese FETs keinen Spannungs- und Überstromschutz bieten. Wählen Sie daher nie einen FET, der an seinen absoluten Grenzwerten arbeitet. Planen Sie genügend Spielraum mit ein.

* Jerome Johnston ist Applications Engineer bei Intersil Corporation in Milpitas/USA.

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