Wichtigste Erkenntnisse
- Schaltverluste entstehen durch die Überlappung von Spannung und Strom während der Schaltvorgänge, und durch die hohen Frequenzen werden geringe Energieeinträge in erhebliche Wärme umgewandelt.
- Die Datenblattwerte für Energie, thermische Impedanz und Rückmeldung der Sperrschichttemperatur müssen im selben Modell berücksichtigt werden, wenn Sie zuverlässige thermische Ergebnisse für den Wandler erhalten möchten.
- Der Gate-Widerstand, parasitäre Effekte im Schaltkreis und kurzzeitige Temperaturschwankungen legen oft die sichere Betriebsgrenze fest, noch bevor die Größe des Kühlkörpers dies tut.
Schaltverluste bestimmen die Sperrschichttemperatur früher, als dies in den meisten Berechnungen für Kühlkörper berücksichtigt wird.
Eine in der IEEE-Literatur zur Zuverlässigkeit zusammengefasste Feldausfallstudie ergab, dass Leistungshalbleiter 31 % der gemeldeten Ausfälle in leistungselektronischen Systemen ausmachten. Das ist von Bedeutung, da thermische Belastungen in modernen Umrichtern selten allein durch Leitungsverluste entstehen. Sobald die Schaltfrequenz steigt, fügt jeder Ein- und Ausschaltvorgang einen kleinen Energiestoß hinzu, der direkt in Wärme umgewandelt wird. Wenn Sie die Dimensionierung von Kupfer, Siliziumfläche und Kühlkörpern nur auf den Durchschnittsstrom ausrichten, übersehen Sie den Teil des Verlustbudgets, der oft die sichere Betriebsgrenze bestimmt.
„Diese Überlappung führt in jedem Zyklus zu Energieverlusten.“
Schaltverluste bestimmen die Sperrschichttemperatur früher, als dies in den meisten Berechnungen für Kühlkörper berücksichtigt wird.
Eine in der IEEE-Literatur zur Zuverlässigkeit zusammengefasste Feldausfallstudie ergab, dass Leistungshalbleiter 31 % der gemeldeten Ausfälle in leistungselektronischen Systemen ausmachten. Das ist von Bedeutung, da thermische Belastungen in modernen Umrichtern selten allein durch Leitungsverluste entstehen. Sobald die Schaltfrequenz steigt, fügt jeder Ein- und Ausschaltvorgang einen kleinen Energiestoß hinzu, der direkt in Wärme umgewandelt wird. Wenn Sie die Dimensionierung von Kupfer, Siliziumfläche und Kühlkörpern nur auf den Durchschnittsstrom ausrichten, übersehen Sie den Teil des Verlustbudgets, der oft die sichere Betriebsgrenze bestimmt.
Schaltverluste treten bei einer endlichen Spannungs-Strom-Überlappung auf
Schaltverluste entstehen, wenn beim Ein- und Ausschalten gleichzeitig eine Drain-Source-Spannung und ein Drain-Strom vorhanden sind. Ein MOSFET ist kein idealer Schalter, der sofort von vollständiger Sperrung in vollständigen Durchlass übergeht. Gate-Ladung, parasitäre Kapazitäten und Schaltungsinduktivität verlängern den Übergang. Diese Überlappung führt in jedem Zyklus zu Energieverlusten.
Anhand einer hartgeschalteten Halbbrücke lässt sich dies leicht veranschaulichen. Beim Einschalten steigt der Strom an, während das Bauelement noch einen Großteil der Busspannung trägt. Beim Ausschalten fließt der Strom weiter, während die Spannung wieder ansteigt. Das Produkt aus Spannung und Strom während dieser kurzen Zeitintervalle verursacht Schaltverluste in MOSFET-Bauelementen, selbst wenn der Widerstand im eingeschalteten Zustand gering ist und das Leitintervall effizient erscheint.
Sobald die Frequenz steigt, kann man diese Intervalle nicht mehr als Rundungsfehler abtun. Ein Wandler, der mit 20 kHz arbeitet, mag in der frühen Entwurfsphase noch eine grobe Schätzung tolerieren, doch bei einem Entwurf mit 100 kHz oder 250 kHz verwandeln sich schon wenige Mikrojoule pro Flanke in Watt an Wärme. Deshalb beginnt eine genaue thermische Modellierung beim Überlappungsereignis und nicht beim Kühlkörper.
Eine einfache Formel zur Berechnung der Schaltverluste eignet sich nur zur groben Abschätzung
Die gängige Berechnungsformel schätzt die Schaltleistung anhand des Überlappungsdreiecks während des Ein- und Ausschaltvorgangs. Dazu multipliziert man die Busspannung, den Laststrom und die Übergangszeit und skaliert diese Ereignisenergie anschließend mit der Schaltfrequenz. Dies liefert eine schnelle erste Annäherung. Das tatsächliche Verhalten eines realen Wandlers wird dadurch jedoch nicht vollständig erfasst.
Häufig wird diese Schätzung als Psw ≈ 0,5 × V × I × (tr + tf) × fs angegeben. Diese Formulierung ist nützlich, wenn Sie in Frage kommende Bauteile für dieselbe Busspannung und denselben Busstrom vergleichen. Ein 400-V-Wandler, der 20 A schaltet und bei 100 kHz eine kombinierte Anstiegs- und Abfallzeit von 80 ns aufweist, ergibt eine grobe Schätzung von etwa 32 W. Diese Zahl ist für die Vorauswahl hilfreich, lässt jedoch Rücklaufstrom, Verluste durch Ausgangskapazität, Gate-Loop-Effekte und Schwankungen des Laststroms außer Acht.
Die Formel geht zudem von linearen Übergängen und konstantem Strom aus. Tatsächliche Wellenformen verhalten sich selten so sauber. Parasitäre Induktivität kann die eine Flanke verlangsamen und die andere schärfen. Eine geklemmte induktive Last erzeugt eine andere Schaltflanke als ein Resonanzzweig. Verwenden Sie die einfache Formel, um schwache Optionen frühzeitig auszusortieren, und gehen Sie dann zu gemessener oder simulierter Energie pro Ereignis über, bevor Sie einem thermischen Ergebnis vertrauen.
Die Kurven in den Datenblättern berücksichtigen die Abhängigkeit von Spannung, Strom und Temperatur
Die Schaltleistungskurven in den Datenblättern sind aussagekräftiger als die einfache Überlappungsformel, da sie das Verhalten des Bauteils unter den getesteten Spannungs-, Strom-, Gate-Widerstands- und Temperaturbedingungen berücksichtigen. Diese Kurven wandeln die Schaltverluste bei MOSFET-Bauteilen von einer Schätzung in eine parametrisierte Berechnung um. Sie müssen jedoch noch an Ihre konkrete Schaltung angepasst werden.
Ein typisches Datenblatt gibt die Einschalt- und Ausschaltleistung bei einer bestimmten Busspannung, einem bestimmten Strom und einem bestimmten Gate-Widerstand an. Wenn Ihr Wandler mit der Hälfte des getesteten Stroms betrieben wird, können Sie nicht davon ausgehen, dass sich die Leistung einfach halbiert. Die Entladung der Ausgangskapazität, die Rückwärtserholung der Begleitdiode und das Miller-Plateau-Verhalten verzerren diese Skalierung. Auch die Sperrschichttemperatur spielt eine Rolle, da sich die Ladungsträgerbeweglichkeit, die Schwellwertverschiebung und das parasitäre Verhalten bei Wärme verändern.
Wenn Sie diese Diagramme lesen, betrachten Sie die Testbedingungen als Teil der Zahlenangaben. Eine bei 25 °C mit einem Gate-Widerstand von 10 Ω gemessene Kurve wird die Verluste eines Wandlers unterschätzen, der tatsächlich bei etwa 100 °C mit einem Widerstand von 22 Ω betrieben wird. An dieser Stelle sollten Sie aufhören, nur an einen einzelnen MOSFET-Wert zu denken, und stattdessen das Schaltungssystem als Ganzes betrachten.
Die durchschnittliche Leistung ergibt sich aus der Energie des Ereignisses multipliziert mit der Schaltfrequenz
Die durchschnittliche Schaltleistung ergibt sich aus der Summe der Ein- und Ausschaltenergie pro Ereignis, multipliziert mit der Schaltfrequenz. Diese Beziehung stellt die zuverlässigste Verbindung zwischen den Details der Wellenform und der thermischen Auslegung dar. Sobald Sie die Energie pro Ereignis unter Ihren Bedingungen kennen, verfügt das thermische Modell über eine aussagekräftige Wärmequelle, die es zu berechnen gilt.
Die praktische Formel lautet: Psw = (Eon + Eoff) × fs. Wenn ein Bauelement beim Einschalten 120 µJ und beim Ausschalten 90 µJ an Leistung abgibt, ergibt sich bei einer Betriebsfrequenz von 100 kHz eine Schaltleistung von 21 W. Verdoppelt man die Frequenz, verdoppelt sich auch dieser Wert, selbst wenn Laststrom und Tastverhältnis gleich bleiben. Dieser lineare Zusammenhang ist der Grund, warum Hochfrequenzdesigns oft zu thermischen Problemen werden, bevor sie zu Stromproblemen werden.
Der folgende Checkpunkt hilft dabei, die Eingaben zu identifizieren, denen bei der Berechnung der MOSFET-Schaltverluste für die Simulation und die thermische Auslegung zuerst Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte.
| Eingeben oder überprüfen | Was dir das sagt |
|---|---|
| Busspannung unter ungünstigsten Betriebsbedingungen | Die höchste angelegte Spannung erhöht die Schaltleistung und führt in der Regel zu einem ungünstigeren thermischen Szenario. |
| Laststrom im Schaltmoment | Bei der Abschätzung der Ereignisenergie ist der Strom während jeder Flanke wichtiger als der durchschnittliche Ausgangsstrom. |
| Energie unter angepassten Testbedingungen ein- und ausschalten | Durch die Verwendung von Energiewerten, die in der Nähe des Gate-Widerstands und der Temperatur gemessen wurden, lassen sich große Fehler bei der Durchschnittsleistung vermeiden. |
| Schaltfrequenz über den gesamten Betriebsbereich | Ein geringfügiger Anstieg der Schaltfrequenz führt zu einem proportionalen Anstieg der Schaltleistung und lässt häufig zuerst die thermische Grenze erreicht werden. |
| Leitungsverlust, berechnet anhand des Widerstands im heißen Zustand | Ein konstanter Leistungswiderstand sorgt für eine realistische Gesamtverlustberechnung, sobald die Schaltwärme die Sperrschichttemperatur bereits erhöht hat. |
| Totzeit und Rückstellverhalten der Diode | Diese Details erklären oft, warum der gemessene Verlust höher ist als der Wert für die reine Energie, der sich aus der Kurve im Datenblatt ergibt. |
Die elektrothermische Simulation stellt einen Zusammenhang zwischen Schaltvorgängen und der Sperrschichttemperatur her
Bei der elektrothermischen Simulation wird der elektrische Verlust in die Sperrschichttemperatur umgewandelt, indem ein Verlustmodell mit einem thermischen Netzwerk gekoppelt wird. Diese Verbindung ist entscheidend, da die Temperatur des Bauteils genau jene Parameter beeinflusst, die den Verlust verursacht haben. Man löst hier einen Regelkreis und keine einfache Berechnung. Eine statische Schätzung würde diese Rückkopplung außer Acht lassen.
Ein nützliches Konvertermodell geht von elektrischen Wellenformen oder Ereignisenergien aus und speist diese Verluste dann in einen thermischen Impedanzpfad ein – vom Übergang zum Gehäuse, vom Gehäuse zum Kühlkörper und vom Kühlkörper zur Umgebung. Die aktualisierte Übergangstemperatur passt dann den Zustandswiderstand, das Schwellwertverhalten und die Schaltleistung für den nächsten Schritt an. Auf diese Weise gelangt man von einer Zahl aus der Tabellenkalkulation zu einem plausiblen Betriebspunkt. SPS SOFTWARE passt sich diesem Arbeitsablauf an, wenn Sie transparente elektrothermische Blöcke benötigen, die Sie überprüfen und anpassen können, anstatt eine verborgene thermische Annahme zu akzeptieren.
Der Nutzen dieses Ansatzes zeigt sich, wenn sich die Betriebspunkte verschieben. Ein Umrichter, der bei Nennlast sicher erscheint, kann bei leichtem Lastbetrieb mit hoher Frequenz eine thermische Grenze überschreiten, da die Leitungsverluste sinken, die Schaltverluste jedoch weiterhin hoch bleiben. Sobald Sie diesen Regelkreis modellieren, werden Sie erkennen, warum thermische Effekte in die Umrichtersimulation einbezogen werden sollten und nicht erst im Anschluss daran.
„Du verfolgst nicht nur den durchschnittlichen Hotspot. Du verfolgst auch, wie weit und wie oft sich der Knotenpunkt verschiebt.“
Transiente Impedanzen beeinflussen den Temperaturanstieg stärker als stationäre Durchschnittswerte
Die transiente thermische Impedanz gibt an, wie schnell sich ein Bauteil bei gepulsten Verlustleistungen erwärmt, und dies ist wichtiger als der stationäre thermische Widerstand, wenn die Schaltleistung im Zeitverlauf schwankt. Die Sperrschichttemperatur folgt Impulsen, Bursts und Tastverhältnissen mit einer gewissen Verzögerung. Die durchschnittliche Verlustleistung allein verschleiert diese Spitzenwerte. Selbst kurze Überlastungen können das Silizium über die sichere Temperaturgrenze hinausbringen.
Ein Motorantrieb verdeutlicht dies besonders während der Beschleunigung. Der Strom steigt für einige hundert Millisekunden an, die Schaltleistung nimmt zu, und der Übergang reagiert wesentlich schneller als der Kühlkörper. Das Gehäuse mag noch kühl aussehen, während der Chip bereits eine gefährliche Höchsttemperatur erreicht hat. Ein häufig verwendeter Datensatz zu Einschaltzyklen zeigte , dass die Lebensdauer von etwa 10 Millionen Zyklen bei einer Sperrschichttemperaturschwankung von 60 K auf etwa 1 Million Zyklen bei 100 K sank , was verdeutlicht , warum kurzzeitige Temperaturschwankungen so wichtig sind.
Aus diesem Grund trägt die thermische Modellierung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Leistungswandlern bei. Dabei wird nicht nur der durchschnittliche Hotspot erfasst, sondern auch, wie weit und wie oft sich der Übergangspunkt verschiebt. Ermüdung des Gehäuses, Lötstellenbelastung und Verschleiß der Bonddrähte reagieren auf diese Schwankungen, weshalb die transiente Impedanz von Anfang an in das Modell einbezogen werden muss.
Durch die Anpassung des Gate-Widerstands wird der erste Kompromiss zwischen Schaltverlusten festgelegt
Der Gate-Widerstand ist oft der erste Regler, den man einstellt, da er sich direkt auf die Schaltgeschwindigkeit, den Spannungsüberschwinger, das Nachschwingen und elektromagnetische Störungen auswirkt. Ein niedrigerer Widerstand verkürzt die Überlappungszeit und verringert die Schaltverluste. Ein höherer Widerstand glättet die Flanken und kann vor einem Überschwinger schützen. Mit keinem der beiden Extreme erzielt man das beste Ergebnis.
Ein synchroner Abwärtswandler mit einem sehr kleinen Gate-Widerstand schaltet schnell und läuft im Silizium kühler, doch die Drain-Wellenform kann so stark überschwingen, dass das Bauelement überlastet wird und das Rauschen zunimmt. Ein deutlich größerer Widerstand glättet die Flanken, doch die Schaltzeit verlängert sich und die Schaltleistung steigt an. Der richtige Wert hängt ebenso sehr von der Gehäuseinduktivität, der Stärke des Gate-Treibers und der Qualität des Layouts ab wie vom MOSFET selbst.
- Verwenden Sie einen kleineren Gate-Widerstand, wenn der Überlappungsverlust die wichtigste thermische Grenze darstellt.
- Verwenden Sie einen größeren Gate-Widerstand, wenn ein Überschwingen oder ein Nachschwingen die Sicherheitsreserven des Bauteils gefährdet.
- Überprüfen Sie die Werte für das Einschalten und das Ausschalten getrennt voneinander, da diese oft unterschiedlich sind.
- Die Messung sollte unter Betriebsbedingungen erfolgen, da sich die Randgeschwindigkeit mit der Sperrschichttemperatur ändert.
- Nach Änderungen am Layout neu abstimmen, da sich das Ergebnis durch parasitäre Induktivität verändert.
Dieser Kompromiss ist der Grund dafür, dass die Reduzierung von Schaltverlusten in MOSFET-basierten Wandlern selten nur eine Frage der Auswahl eines einzelnen Bauteils ist. Die Einstellungen der Gate-Ansteuerung, die Schleifeninduktivität und die thermische Reserve wirken hier als Ganzes zusammen. Anhand von gemessenen Wellenformen und einem gekoppelten Modell erhält man eine bessere Antwort als durch die Übernahme eines Nennwiderstandswerts aus einem Referenzdesign.
Die Dimensionierung des Kühlkörpers schlägt fehl, wenn die Schaltverluste zu niedrig angesetzt werden
Eine Berechnung des Kühlkörpers schlägt fehl, wenn die zugrunde liegenden Verlustwerte die Schaltverluste, die Temperaturrückkopplung oder transiente Spitzenwerte außer Acht lassen. Der Kühlkörper kann für eine falsche Eingangsleistung perfekt dimensioniert sein und dennoch zu einer Überhitzung des Wandlers führen. Ein gutes thermisches Design beginnt mit einer fundierten Verlustmodellierung und nutzt den Kühlkörper erst im letzten Schritt und nicht als erste Annäherung.
Ein typischer Fehlerpfad sieht auf dem Papier harmlos aus. Man wählt ein Bauteil mit niedrigem Widerstand, schätzt die Leitungsverluste bei Raumtemperatur und wählt einen Kühlkörper, der die Gehäusetemperatur scheinbar problemlos unterhalb seiner Grenze hält. Labortests zeigen dann jedoch, dass die Sperrschichttemperatur im Hochfrequenzbetrieb ansteigt, da die Schaltverluste bei MOSFET-Bauteilen unterschätzt wurden. Diese fehlende Wärme erhöht die Sperrschichttemperatur, was wiederum den Durchlasswiderstand erhöht und die Gesamtverluste weiter in die Höhe treibt. Der Fehler verstärkt sich somit, anstatt behoben zu werden.
SPS SOFTWARE ist in dieser Phase besonders nützlich, wenn Sie die elektrischen und thermischen Annahmen so transparent halten möchten, dass sie hinterfragt werden können. Diese Vorgehensweise verschafft Ihnen bessere Wandler-Sicherheitsmargen als jeder überdimensionierte Kühlkörper allein. Eine sorgfältige Modellierung beseitigt zwar keine Kompromisse, zeigt Ihnen aber, welche davon sich lohnen und welche lediglich versteckte Verluste darstellen.
