Getaktete Stromversorgungen Überspannung und Avalanche-Energie bei MOSFETs

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Warum gehen Schalttransistoren bei Überspannung kaputt, obwohl die Energie scheinbar deutlich unterhalb der spezifizieren Avanlanche-Energie liegt? Netzteil-Experte Prof. Markus Rehm berichtet über seine Erfahrungen aus der Praxis und erklärt das Phänomen am Beispiel eines Sperrwandlers.

Überspannung am Schalttransistor ist bei meinen Fehleranalysen die häufigste Ausfallursache. Daran hat sich in den letzten 25 Jahren nichts geändert, obwohl die heutigen MOSFETs laut Datenblatt deutlich robuster sein müssten als die früheren Bipolar-Transistoren. Viele MOSFETs verfügen über ein „Avalanche Energy Rating“. Bei Überspannung gehen sie nicht gleich kaputt, sondern es muss erst die spezifizierte Energiemenge überschritten werden bevor der Lawineneffekt ausgelöst wird.

Für viele Schaltnetztteil-Entwickler ist das eine super Sache, weil man bei den Spannungsspitzen scheinbar nicht mehr so genau hinsehen muss. Egal ob bei maximaler Netzspannung, beim Anlauf oder im Kurzschlussfall, die Energie der Überspannung liegt deutlich unterhalb des spezifizierten Datenblattwertes und deswegen kann man da beide Augen zu drücken. Meiner Erfahrung nach geht das leider nicht!

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Woher kommt die Überspannung?

Der Schuldige ist eindeutig und schnell identifizierbar: Es sind die parasitären Induktivitäten L_Streu, die nicht über die Freilaufdiode D₂ entmagnetisiert werden. Die darin gespeicherte Energie (½ ^. L_Streu ^. I²) wird auf die vorhandenen parasitären Kapazitäten umgeladen und erzeugt dort eine Überspannung (½ ^. C_Parasitär ^. U²). Beim Sperrwandler (Bild 1) ist die MOSFET-Überspannung am größten. Sie addiert sich auf die resultierende „Schulterspannung“.

Durch den Luftspalt im Trafo und wegen der Freilaufdiode auf der Sekundärseite ist bei dieser Topologie die Streuinduktivität sehr groß. Die Sperrschicht-Kapazität des Leistungsschalters ist klein und das resultiert in eine hohe Überspannungsspitze (Bild 2).

Wie misst man diese Überspannung richtig?

Es ist schwierig, diese Überspannungsspitze richtig zu messen, weil sie durch die zusätzliche Kapazität des Tastkopfs reduziert wird. Außerdem ist die Spitze teilweise nur einige Nanosekunden lang und die Eigenschaften (Bandbreite, Auflösung) vom Gesamtsystem Tastkopf und Oszilloskop reichen oft nicht aus. Es ist interessant, dass drei Ingenieure mit ihrem Equipment die maximale Drainspannung von 710 bis 850 V messen, wohl bemerkt bei dem gleichen Netzteil! Bei einem 750-V-MOSFET ist das eine Frage zwischen Leben und Tod!

Ich lege die kurz angebundene Masse vom Oszi-Tastkopf oft nicht auf die Source, sondern auf Ground. Zwischen Source und Ground liegt noch der niederohmige Shunt-Widerstand zur Strommessung, und den Regelkreis will man mit der Messung nicht außer Tritt bringen. Zwischenfazit: Egal wie man misst, es ist immer falsch.

Braucht man ein Dämpfungsglied?

Wir messen nur ein Netzteilmuster bei Zimmertemperatur. Die Überspannungsspitze hängt von parasitären Bauteileigenschaften ab, deren Werte kaum spezifiziert sind und die zudem große Toleranzen aufweisen, auch in Abhängigkeit der Temperatur. Deswegen empfiehlt sich ein Dämpfungsglied am Schalttransistor, damit es keine zu großen Schwankungen bei großer Stückzahl gibt. Beim Sperrwandler finde ich einen klassischen „R-C-D snubber“ optimal für die Zuverlässigkeit. Der Kondensator nimmt die Energie der Streuinduktivität auf, der Widerstand entlädt ihn für den nächsten Zyklus und die Diode vermeidet zusätzliche Verluste beim Einschalten des Schalttransistors. Alternativ könnte man auch einen einzelnen Kondensator verwenden oder eine robuste TVS-Diode, welche die Spannungsspitze absorbiert. Leider kostet ein Dämpfungsglied Geld und Platz und erhöht die Leistungsverluste.

Wie ist das Avalanche Rating beim MOSFET spezifiziert?

Im Datenblatt eines MOSFETs wird die Energie spezifiziert, bei welcher der MOSFET noch nicht kaputt geht.

Zum Beispiel sind das beim STP45N65M5 810mJ bei einer Sperrschichttemperatur von 25 °C. Dieser Wert ist natürlich völlig irrelevant, weil ein Schalttransistor im realen Betrieb locker 100 °C hat.

Im 600-V-CoolMOS-Datenblatt IPL60R185P7 wird die Avalanche Energie in Abhängigkeit der Temperatur angegeben, siehe Bild 3.

Man sieht, dass bei 110 °C Sperrschichttemperatur nur noch zehn Prozent des ursprünglichen Wertes von 25 °C übrig bleiben!

Man kann die MOSFET-Temperatur leider nur außen am Gehäuse messen und auch nur über die Zeit integriert. Tatsächlich pulst die Temperatur auf dem Chip mit der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von Einschalt-, Durchlass- und Ausschaltverlusten sowie der transienten thermischen Impedanz. Man kann das z. B. mit LT-Spice simulieren. Wir wissen also nicht, wie groß die momentane Chip-Temperatur genau ist, wenn der Überspannungspuls gerade auftritt.

Dieser o. g. Leistungs-MOSFET von Infineon kann laut Datenblatt einen Pulsstrom von 53 A. Er wird also wohl nicht mit nur 4 A betrieben werden. Aber genau mit diesen 4 A ist hier die Avalanche Energie spezifiziert, siehe das Kleingedruckte links unter dem Diagramm (Bild 3). Wir wissen leider nicht, wie groß die erlaubte Energie beim tatsächlich fließenden maximalen Puls-Strom in der Anwendung ist. Auch im Datenblatt ist der maximale Avalanche Current mit 4A angegeben. Somit dürften wir den 53-A-MOSFET eigentlich nicht mit mehr als 4 A betreiben wenn wir die Avalanche Energie ausnützen wollen.

Schauen wir jetzt mal, wie fast alle MOSFET-Hersteller die Avalanche Energie überhaupt messen und festlegen, z. B. Infineon [1].

Vor dem Test liegt der MOSFET über der Spule an 50 V und macht … nichts! Im realen Netzteil liegt der MOSFET vor dem Einschalten an 300 bis 400 V und im Sperrzustand teilweise bei 500 V, da hat man schon Leckströme bis knapp 1 mA und entsprechende Verluste. Außerdem schaltet der MOSFET im Netzteil ständig Ströme mit einer hohen Frequenz ein und aus.

Im Test hingegen schaltet man den MOSFET nur ein einziges Mal ein und lässt ihn dann so lange leiten, bis der spezifizierte Strom (z. B. 4 A) erreicht wird. In der Testschaltung (Bild 4) gibt es keine Freilaufdiode zur Entmagnetisierung der Induktivität. Sobald der MOSFET ausschaltet, würde die Drain-Spannung unbegrenzt ansteigen und wird dann nur durch den MOSFET auf einen Wert V(BR)DS geklemmt, der irgendwo oberhalb der max. zulässigen Sperrspannung liegt. Man sieht das in der Messung oft an einem Plateau, das die Schwingung plötzlich begrenzt.

In der Application Note [1] zum Thema „Avalanche Energy“ sieht man ein Oszi-Diagramm auf dem man erkennt, dass der MOSFET 40 µs leitet und die Entmagnetisierung 22 µs lang dauert. Die Verlustleistung hat also 22 µs Zeit, sich im Chip zu verteilen.

In einer anderen Application Note [2] habe ich einen weiteren, sehr interessanten Aspekt gelesen. Hier der übersetzte Auszug aus dem Englischen: „Typische moderne Leistungs-MOSFETs haben Millionen von identischen Gräben, Zellen oder viele Streifen in parallel … Für ein robustes Design muss die Avalanche-Energie gleichmäßig auf diese Zellen bzw. Streifen verteilt werden.“

Überspannung im Sperrwandler

Erinnern wir uns nochmal an unsere Überspannungsspitze im Sperrwandler. Wir messen eine Dauer von ca. 5 bis 50 ns! Das ist ein Tausendstel der Zeit, welche die MOSFET-Hersteller für ihre Spezifikation verwenden.

Im Test hat der Strom also 22 µs Zeit, sich über den ganzen Chip zu verteilen, in der realen Anwendung sind es um die 20 ns. Bei einigen Nanosekunden spielen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten auf dem Halbleiter eine viel größere Rolle als bei einigen Mikrosekunden. Ich bezweifle, dass sich der Avalanche-Strom und somit die Energie auf die Millionen Zellen in 20 ns genau so gleichmäßig verteilen kann wie in 20 µs. Und das genau wäre die Voraussetzung, dass der MOSFET die Überspannungsspitze überlebt!

Außerdem gibt es oft mehrere Spannungsspitzen hintereinander, egal ob beim Anlauf, bei Netz-Stoßspannung oder im Überlast- oder Kurzschlussfall. In manchen Datenblättern findet man zur „Single Pulse Avalanche Energy“ auch den Wert für „repetitive“, welcher jedoch sehr gering ist und die gleichen unrealistischen Testbedingungen hat.

Im Datenblatt wird bei der Avalanche Energy als Bedingung oft „Gatespannung Null“ angegeben. Schauen Sie sich mal Ihre Oszi-Messung genau an: Bei der Spannungsspitze an der Drain ist die Gatespannung oft deutlich positiv, ein Volt oder mehr, was vom Miller-Effekt und einer nicht perfekten Gate-Treiber-Schaltung herrührt ((https://www.elektronikpraxis.de/schalttransistor-und-mosfet-treiber-nicht-trivial-und-haeufige-ausfallursache-a-c8c0a3eea5c097f72759f25cba9cbb8a/ und https://www.elektronikpraxis.de/mein-netzteil-hat-kaum-strom-gebraucht-aber-jetzt-raucht-es-a-514ed3bb5786c3b05bd734338b2bfb43/?cflt=rdt)).

Avalanche-Energie berücksichtigen oder ignorieren?

Nach diesen Erkenntnissen und Überlegungen stellt sich die Frage, ob man die spezifizierte Avalanche-Energie überhaupt berücksichtigen soll. Ich habe das noch nie akzeptiert und bleibe weiterhin stur. Für mich gilt die maximal erlaubte Drain-Spannung und die darf in keinem Betriebsfall überschritten werden. Das ist für mich eine wichtige Voraussetzung, um ein zuverlässiges Netzteil zu bekommen.

Für den letzten Qualitäts-Check stressen Entwickler oder Qualitätsbeauftragte ihr Netzteil und jagen den Schalttransistor so oft es geht in Avalanche. Wenn es dann nicht knallt, ist scheinbar der letzte Beweis erbracht, dass nichts passieren kann und die Absolution ist erteilt. Wenn es knallt, gut, dann hat man halt zu hart getestet, vielleicht war die Temperatur zu hoch und okay, in der Realität wird das nicht vorkommen.

Mein Worst-Case-Szenario ist oft eine ganz kurze Netzunterbrechung. Das Gerät, in dem das Netzteil verbaut ist, hat eine hohe Innentemperatur, der Schalttransistor ist heiß, ebenso der Trafo. Wenn die Netzspannung verschwindet, dreht die Regelung voll auf und der Schalttransistor gibt maximalen Strom. Das gleiche passiert wenn die Netzspannung nach einer Sekunde wieder zurück kommt: Maximale Spannung, maximaler Strom, Anlauf mit kapazitiver Last, ev. geht der Trafo schon etwas in Sättigung, vielleicht ist der interne Softstart-Kondensator noch etwas geladen. Solche Tests sind immer empfehlenswert, um zu sehen wie zuverlässig eine Stromversorgung ist.

Viele Entwicklungs-Ingenieure wissen nicht, dass auch Halbleiterhersteller „cost down“-Prozesse haben. Ich hatte vor vielen Jahren den Fall, dass Schalttransistoren ab dem 4. Produktionsjahr massenhaft im Feld ausgefallen sind, obwohl offensichtlich nichts geändert wurde. Davor war alles bestens. Wir konnten uns das nur mit einem „cost down“ im Chip erklären. Wenn sich an den spezifizierten Werten im Datenblatt nichts ändert, dann braucht der Hersteller auch nichts mitzuteilen (change without notice). Ich hatte bei jedem Netzteil-Anlauf mehrere Spannungsspitzen von 1.100 V gemessen. Der 900-V-MOSFET der ersten drei Produktionsjahre hat das locker weggesteckt, danach nur noch im end-of-line-Test, im Betrieb leider nicht mehr.

Fazit

Die maximale Sperrspannung eines MOSFETs ist im Datenblatt spezifiziert. Viele MOSFET-Hersteller empfehlen diese maximale erlaubte Sperrspannung nicht zu überschreiten, auch nicht für einen kurzen Moment, um die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit nicht zu beeinträchtigen.

Wenn eine Avalanche-Energie im Datenblatt spezifiziert ist, dann entspricht das überhaupt nicht der realen Anwendung im Schaltnetzteil. Da hilft es auch nichts, wenn die MOSFET-Hersteller die Avalanche-Energie zu 100 Prozent in der Produktion testen. Auch ein umfangreiches Dauer-Testen im Netzteil ergibt nur trügerische Sicherheit.

Meine Empfehlungen:

• Bleiben Sie in allen Betriebsbedingungen unterhalb der maximal spezifizierten Sperrspannung.

• Je unsicherer Sie mit der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit Ihrer Messung sind, desto mehr Marge planen Sie ein.

Das gilt übrigens nicht nur für Schalttransistoren bei AC/DC-Wandlern auf der Primärseite, sondern auch für die Synchrongleichrichtung auf der Sekundärseite, den Halbbrücken bei DC/DC-Wandlern sowie den Schottky-Dioden mit Avalanche Rating.

Letzte Anmerkung: Bei mir landen nur Netzteile auf meinen Labortisch, die ausgefallen sind. Vielleicht gibt es Millionen Netzteile, die mit „Avalanche“ wunderbar funktionieren? Die schickt mir natürlich keiner zur Analyse! Teilen Sie mir gerne Ihre Erfahrung mit. (tk)

Quellen:

[1]: Infineon AN_2304_PL18_2305_004059,

[2]: Vishay Siliconix AN-1005,

[3]: Infineon AN_201611_PL11_002.

* Prof. Markus Rehm ist Experte für Leistungselektronik und Stromversorgungen sowie Geschäftsführer des Ingenieurbüros IBR und Honorarprofessor an der Hochschule Furtwangen University Industrie- und Leistungselektronik.

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