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Die Auswahl des MOSFET

Ist das Design erstellt und sind die Betriebsparameter berechnet, sind Zielvorgaben wie geringer Platzbedarf, hoher Wirkungsgrad und geringe Kosten gegeneinander abwägen. Dieser Prozess soll nun an Hand einer Abwärtswandler-Schaltung mit externen Schalt-MOSFETs analysiert werden. Zunächst wird dazu die Verlustleistung in den FETs im Detail untersucht. Sind die Spannungs-Spezifikationen erfüllt, bezieht sich ein entscheidender Teil der FET-Auswahl auf die Temperatur dieser Bauelemente, die den spezifizierten Bereich keinesfalls verlassen darf. Berechnen lässt sich die Temperatur aus der Verlustleistung: Die Gesamtverlustleistung des FET ergibt sich aus Pconduction plus PswAC plus Pcoss plus Pgate plus Pbdiode. Hier sollen zunächst die beiden erstgenannten Verlustkomponenten diskutiert werden. Der Leitungsverlust (Pconduction) berechnet sich nach folgender Formel aus dem On-Widerstand Rds(on) des FET und dem effektiven Strom (RMS) im FET:

Pconduction = Rds(on) • ISwRMS2

Diese Berechnung hat jedoch ihre Tücken, denn der Rds(on) verändert sich mit der Temperatur. Die Rechnung muss also mit einem iterativen Verfahren erfolgen, da die Temperatur mit zunehmender Verlustleistung ansteigt, die Temperaturzunahme aber wiederum die Verlustleistung erhöht.

Der AC-Verlust (PswAC) in einem FET wird wie folgt berechnet:

PswAC = 0,5 • Vdsoff • IdsOn • (tRise + tFall)/Tsw.

Hierin steht IdsOn für den Strom im FET, VdsOff ist die Spannung am FET im Off-Zustand (Vin), bei tRise und tFall handelt es sich um die Anstiegs- und Abfallzeit des FET und Tsw ist die Schaltperiode (Kehrwert der Schaltfrequenz).

Der AC-Verlust entsteht, während der Schalter zwischen Ein- und Aus-Zustand wechselt. Je höher die Schaltfrequenz ist, umso mehr Zeit entfällt auf diese Übergangsperioden (Bild 3).

Die Anstiegs- und Abfallzeiten sind von der Kapazität des FET abhängig, die sich wiederum mit der angelegten Spannung ändert. Um hier exakte Aussagen machen zu können, muss die effektive Kapazität auf Basis der vom Anwender im Design vorgesehenen Vin-Werte bestimmt werden. Anderenfalls kann der FET für die Anwendung überdimensioniert (bei Anwendung der maximalen Kapazität) oder unterdimensioniert sein (wenn die minimale Kapazität angewandt wird).

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