Leistungs-MOSFET

Der Power MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Field Effect Transistor (FET) ist ein industrielles Standardbauteil zur Beeinflussung des elektrischen Stromes. Er wird als Leistungsverstärker und Schalter verwendet und wirkt wie ein spannungsgesteuerter Widerstand.

Ein Power MOSFET ist eine spezialisierte Version eines MOSFET, die für das Leiten und Sperren von großen elektrischen Strömen und Spannungen optimiert ist (bis mehrere hundert Ampere und bis ca. 1000 Volt, bei einem Bauteilvolumen von ca. einem Kubikzentimeter). Die hohe Leistungsdichte wird durch eine Halbleiterstruktur erreicht, die einer Parallelschaltung von vielen einzelnen MOSFETs entspricht.

Von den in integrieten Schaltkreisen verwendeten MOSFETs unterscheiden sich Power MOSFETs bei gleichem physikalischem Prinzip durch andere geometrische Dimensionen. Ab einer Strombelastbarkeit von etwa 1A wird ein MOSFET den Power MOSFETs zugeordnet.

Historie

Ein Antrieb zur Entwicklung der Power MOSFETs waren die Schwächen der bis dahin dominierenden BJTs (engl.: bipolar power junction transistors). BJTs benötigen z.B. hohe Steuerströme, bis zu 1/5 des Laststromes, während PowerMOSFETs im ein- und ausgeschaltetem Zustand prinzipiell keinen Steuerstom benötigen.

Einsatzgebiete

Power MOSFETs werden häufig als Schalter für die Pulsweitenmodulation eingesetzt, z.B. in Wechselrichtern, Schaltnetzteilen, DC/DC Wandlern, Antriebssystemen. In diesen Anwendungen werden häufig induktive Lasten geschaltet. Induktive Lasten erzeugen bei einer schnellen Stromänderung, wie sie beim Schaltvorgang eintritt, große Spannungsspitzen, gegen die der Power MOSFET besonders geschützt werden muss. Dieser Schutz kann im Bauteil selbst vorhanden sein (Avalancheeffekt). Oft ist eine zusätzliche externe Beschaltung (Snubber) notwendig. Power MOSFETs müssen bei hohen Leistungen besonders gekühlt werden.

Kenngrößen

Wichtigste Kenngrößen eines Power MOSFETs sind:

Maximale Verlustleistung
Minimaler Durchgangswiderstand (RDS_on)
Maximale Sperrspannung
Maximal zulässige Energie beim Durchbruch (Avalancheeffekt)
Ladungsmenge die für das Ein- und Ausschalten notwendig ist (Ansteuerverluste)
dV/dt Beständigkeit (dV/dt: Spannungsänderungsgeschwindigkeit)

Weiterentwicklung

Große Fortschritte erzielten die Halbleiterhersteller in den späten 1990ern bei der Reduzierung des Durchlasswiderstandes (RDS_on). Je größer die maximale Sperrspannung des Bauteils ist, um so größer ist sein Durchlasswiderstand. Ein üblicher Wert ist im Jahr 2004 ein RDS_on von 0,15 Ohm bei einer Sperrspannung von 250V.

Neben der allgemeinen Verbesserung der Robustheit gegen hohe Strom- und Spannnungsspitzen (engl. ruggedness) und der Verringerung des Durchlasswiderstandes werden zunehmend weitere Funktionen in das Bauteil integriert. Diese Bauteile werden häufig als "Smart Power Devices" bezeichnet und enthalten neben Schutzschaltungen (Eingangsschutz, Schutz gegen thermische Überlastung, Strombegrenzung, Fehlersignalgenerierung) z.B. level shifting (Schalten der positiven Lastleitung mit einem massebezogenen Signal, sog. high side switches) oder sogar vollständige PWM (Pulsweitenmodulation) Controller.

Bauformen

Übliche Gehäusebauformen sind für Platinen mit Durchkontaktierungen:

TO-247
TO-220

für SMD

DPack
D²Pack

mit geschraubten Kontakten für Kabel, Stromschienen, ...

SOT-227

physikalische Bemerkungen

Der Aufbau des Power MOSFET entspricht dem des MOSFET allerdings ergeben sich zahlreiche Besonderheiten. Im Gegensatz zum Signaltransistor der Nachrichtentechnik ist die Anordnung von Source und Drain vertikal. In der Halbleiterstruktur von Gate, Drain und Source entstehen in einem MOSFET zahlreiche parasitäre Bauelemente wie z.B. Widerstände, Kapazitäten und Dioden. In der Leistungselektronik muss diesen Bauelementen besondere Beachtung geschenkt werden. Die enthaltenen Kapazitäten müssen bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden, was besonders bei hohen Schaltfrequenzen zu erheblichen Schaltverlusten führt. Die prinzipbedingt immer mitenthaltene Diode, die im Normalbetrieb in Sperrrichtung geschaltet ist, kann wie eine zu Drain-Source parallelgeschaltete Diode schaltungstechnisch ausgenutzt werden. Je nach Anforderung müssen noch weitere Effekte berücksichtigt werden.