Auswahl des optimalen MOSFETs für Offline-Schaltnetzteile

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MOSFET-Leistung in Schaltnetzteilen

Bild 2 zeigt eine übliche Kurve als Ergebnis der Prüfung eines Schaltnetzteils über dessen erwarteten Lastbereich. Der Wirkungsgrad weist einen Spitzenwert an einer Stelle zwischen der minimalen und maximalen Last auf. Bei einem guten Design befindet sich dieser Maximalwert an oder in der Nähe des Betriebspunktes, in dem das Netzteil mehr als 90% seiner Betriebsdauer verbringt.

Sein Betriebs- und Spitzenwert werden vollständig durch Abwägung der verschiedenen MOSFET-Parameter während des Entwurfsprozesses bestimmt. Bei kleinen Lasten macht die geringere Einschaltzeit (Tastverhältnis) die Leitungsverluste des MOSFET weniger signifikant. Hier bestimmen die Schalt- und Gate-Teiber-Verluste den Wirkungsgrad.

Bildergalerie

Bild 1: Aufbau eines Standard-Planar-MOSFET (links) und verallgemeinerter Aufbau eines Superjunction-MOSFET (rechts).(Bild: D3)

Bild 2: Abhängigkeiten und Einflussfaktoren von Wirkungsgrad und Last (Prüfung eines Schaltnetzteils über dessen erwarteten Lastbereich).(Bild: D3)

Bild 3: Beispiel für die Auswahl des MOSFET mit dem kleinsten RDS(on) für ein Netzteil.(Bild: D3)

Bild 4: Verhalten der drei Verlustarten über den Lastbereich.(Bild: D3)

Bildergalerie mit 7 Bildern

In typischen Schaltnetzteilen ist die Schaltfrequenz relativ konstant, weshalb die Schalt- und Treiberverluste ebenfalls konstant sind. Bei höheren Lasten jedoch werden die Leitungsverluste des MOSFET (und des Ausgangsgleichrichters) gegenüber den Schalt- und Treiberverlusten immer dominanter. Hier kommt dem Widerstandswert R_DS(on) besondere Bedeutung zu. Wie bei allen resistiven Schaltern wird der Wirkungsgrad mit zunehmender Last schlechter. Dieser nichtlineare Effekt sind die ID²(R_DS(on))-Verluste.

Abschätzung der MOSFET-bezogenen Verluste

Die Verluste innerhalb der Leistungsschaltstufe (MOSFET, BJT, IGBT, usw.) lassen sich in drei verschiedene Kategorien unterteilen: Leitungsverluste, Schaltverluste und Treiberverluste. Diese Verluste können in engen Grenzen in der tatsächlichen Schaltung betrachtet und gemessen werden und lassen sich zudem anhand der Parameter aus dem Datenblatt abschätzen.

Zur Abschätzung der MOSFET-Verluste müssen zunächst die Energieverluste (in Joule) während eines jeden Verlustzeitraums innerhalb eines Schaltzyklus abgeschätzt werden. Zur Berechnung der Schalt-/Treiber-Leistungsverluste (in Watt) sind die berechneten Energieverluste während eines jeden Verlustzeitraums mit der Schaltfrequenz zu multiplizieren.

Die Energieverluste während eines jeden Verlustzeitraums lassen sich wie in der Formelsammlung in Bild 6 gezeigt formulieren: Die Wellenformen werden als Integrale ausgedrückt, da die Wellenformen für Strom und Spannung komplex und nicht rechteckig sind. Auf grafische Weise lassen sich anhand der Plots stückweise Bereiche unter der Kurve unter Verwendung dreieckiger, rechteckiger oder trapezförmiger Bereiche aufsummieren.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Übersicht der aktuellen +FET-Leistungsbausteine von D3 Semiconductor

Link: Beitrag im Original lesen: ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik und Stromversorgungen II als pdf

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Stand: 08.12.2025

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