MOSFETs und Logik-Pegel

Allgemeines

An den Digitalausgängen eines Controllers werden obt MOSFETs als Schalter eingesetzt. Ein idealer Schalter hat folgende Eigenschaften:

Es gibt genau zwei Zustande: aus und ein.
Im aus-Zustand ist der Widerstand unendlich, es fliesst kein Strom. Die "aus"-Kennlinie ist identisch mit der Spannungsachse (Strom = 0)
Im ein-Zustand ist der Widerstand 0. Es fällt keine Spannung ab. Die "ein"-Kennlinie ist identisch mit der Stromachse (Spannung = 0).
Die Ansteuerung des Schalters benotigt keine Energie.

Der "Widerstand" zwischen Source und Drain eines MOSFET kann mit einem Signal am Gate variiert werden. Unter welchen Bedingungen er sich als Schalter eignet, wird nachfolgend untersucht. Ein MOS-FET kann als Schalter eingesetzt werden, wenn folgende Vorgaben erfüllt sind:

Ein MOSFET kann nur Gleichspannung mit der richtigen Polarität schalten.
Die zulässige Spannung am MOSFET wird nicht überschritten.
Der für den MOSFET zulässige Strom wird nicht überschritten.
Die Ansteuer-Spannungen am GAte müssen passend gewählt werden.

MOSFETS müssen bei hohen Leistungen gut gekühlt werden. Der Kanalwiderstand erhöht sich bei steigender Temperatur und damit steigt auch die Verlustleistung. Ohne Kühlung kann es zu thermischer Überlastung kommen. Bestimmende Parameter sind der zulässige Drainstrom (I_D) und der Widerstand des MOSFET, wenn er voll durchgesteuert ist (R_DSon). Auch bei kleinem R_DSon entsteht am MOSFET eine Verlustleistung, die nach dem sich ohmschen Gesetz errechnet zu:

P = I * I * R_DSon

Nimmt man beispielsweise den unten erwähnten Typ BUZ11, dann ergibt sich beim Maximalstrom von 50 A und einem R_DSon von 0,04 Ω eine Leistung von P = 50 * 50 * 0,04 = 10 W. Die müssen auf jeden "weggekühlt" werden. Mit steigender Sperrschichttemperatur durch die Verlustleistung steigt der Bahnwiderstand an. Der mit steigender Temperatur ansteigende Bahnwiderstand bei der Parallelschaltung mehrerer MOSFET sorgt für eine gleichmäßige Stromaufteilung auf parallel geschaltete Power-MOSFETs. Deshalb lassen sich MOSFETs zur Leistungserhöhung problemlos parallel schalten.

MOSFET benötigen am Eingang des Gates keinen Vorwiderstand, weil sie spannungsgesteuert und eingangsseitig extremst hochohmig sind. Trotzdem sieht man in Schaltbildern vor den Gates oft einen Vorwiderstand, der hier mit "RG" bezeichnet wird. Dieser Widerstand am MOSFET-Gate hat eine völlig andere Aufgabe. Im Augenblick des Umschaltens wird die ziemlich steile Kennlinie durchfahren. Ohne RG neigen manche MOSFETs während der Ein- und Ausschaltflanken kurzzeitig zum hochfrequenten Oszillieren. Dies wird durch RG verhindert. Oft genügen Widerstandswerte von einigen 10 Ohm. Mit 100 Ω liegen Sie in der Regel richtig. Trotz des hohem Eingangswiderstandes sollten Sie keine höhere Widerstandswerte einsetzen, denn die Kapazitäten zwischen Gate und Source und ebenso zwischen Gate und Drain müssen beim Schalten umgeladen werden, was eine signifikante Reduktion der Flankensteilheit bewirkt.

Ansteuern des Gate mit Logikpegeln

Als Leistungstreiber am Ausgang von Controller-Schaltungen mit einer Betriebsspannung zwischen 3,3 V und 5 V können MOSFETs eigesetzt werden, wenn sie geeignet ausgelegt sind. Standard-MOSFETs schalten erst bei einer Source-Gate-Spannung (U_GS) von 10 V oder mehr voll durch (Sättigung) und erst dann tritt der Vorteil eines sehr niedrigen Widerstandes zwischen Source und Drain (R_DSon) zutage. Liegt der Drainstrom bei weniger als 100 mA kann man den Allrounder-MOSFET BS170 einsetzen. Das Problem bei Standard-MOSFETs liegt darin, dass sie bei niedriger U_GS im linearen Bereich der Kennlinie arbeiten und daher eine höhere Verlustleistung am MOSFET entsteht. Sehen Sie sich dazu die Kennlinie eines BUZ11 am, der nach Datenblatt 30 A bei 50 V schalten kann und einen R_DSon von 0,04 Ω besitzt (klingt doch erst einmal gut):

An den Kennlinien kann man sehen, dass der BUZ11 bei einem Gate-Source-Level von 4,5 V nur 5 A Strom zuläßt, während er für 50 Ampere Dauerstrom spezifiziert ist. Dies liegt daran, dass er für den maximalen Strom eine Gate-Spannungen von etwa 10 V benötigt. Bei 3,3 V ist er nahezu vollkommen gesperrt. Er ist also für Logik-Ansteuerung ungeeignet.

Für Anwendung mit Mikrocontrollern gibt es Logic-Level-MOSFETs. Dies sind MOSFETs mit sehr kleinen Gate-Source-Spannungen zum Schalten. Man sucht sich also einen N-Kanal-MOSFET, der bei einer Gate-Source-Spannung von 3,3 V so gesättigt wird, so dass der Drain-Source-Widerstand im unteren mΩ-Bereich liegt, damit die Verlustleistung möglichst gering bleibt. Beim Evaluieren muss man dabei sehr aufpassen. In vielen MOSFET-Übersichtstabellen sind die Werte von R_DSon oft auf eine Gate-Source-Spannung von 10 V bezogen. Eine recht umfassende Übersichtsliste mit MOSFET-Typen gibt bei Mikrocontroller.net. Auf jeden Fall muss man im Datenblatt in den Diagrammen die relevanten Werte suchen. Die folgenden Kennlinien stammen von IR3803. Man sieht, dass hier bei 3 V U_GS ein Strom von 11 A möglich ist.

Der IRLB3034PbF hat bei einer Gate-Source-Spannung von 4,5 V einen maximalen Drain-Source-Widerstand von nur 2 mΩ bei einem Drainstrom von 170 A. Die Eingangskapazität beträgt allerdings ca. 10 nF. Eine kleine Auswahl geeigneter Typen zeigt die folgende Tabelle, wobei hier auch noch für viele Anwendungen geeignete P-MOSFETs aufgeführt sind, obwohl man bei denen nicht unbedingt von "Logikl-Level-Typen" sprechen kann:

N-Kanal-MOSFET
Typ	Spannung	Strom	R_DSon
IRL1004	40 V	75 A	9 mΩ
IRL3705N	55 V	75 A	18 mΩ
IRL3803	30 V	75 A	9 mΩ
IRL540	100 V	28 A	80 mΩ
IRLB3034PbF	40 V	195 A	1,7 mΩ
IRLL2705	55 V	3,8 A	40 mΩ
IRLML2502	20 V	4 A	45 mΩ
IRLZ34N	55 V	30 A	35 mΩ
SMP60N03-10L	30 V	60 A	10 mΩ
STN4NF03L	30 V	6,5 A	39 mΩ
STP36NF06L	60 V	30 A	40 mΩ
2N7002	60 V	0,3 A	2,8Ω
P-Kanal-MOSFET
Typ	Spannung	Strom	R_DSon
IRF4905	-55 V	-74 A	20 mΩ
IRF9540	-100 V	-19 A	200 mΩ
IRF9540N	-100 V	-23 A	117 mΩ
IRLML6402	-20 V	-3,7 A	65 mΩ
FDV304P	-25 V	-0,46 A	1500 mΩ
Si2333CDS	-12 V	-4,5 A	45 mΩ
NTS2101PT1G	-8 V	-1,4 A	78 mΩ

Ob es sich um einen Standard-MOSFET oder einen "Logik-Level"-Typen handelt, zeigt das Datenblatt schon gleich am Anfang. Wird der R_DSon für eine Spannung von 10 V oder höher angegeben, ist es meist kein Logik-Level-MOSFET. Ein Logikpegel-MOSFET gibt den R_DSon für V_GS 5 V oder 4,5 V an. Ein zweites Kreiterium ist die Schwellenspannung (V_thresh). Dies ist die Gate-Spannung, bei welcher der MOSFET vollständig sperrt (weniger als einige Mikroampere). Wird V_thresh im Bereich von 2 V bis 4 V angegeben, kann es sich nicht um einen Logik-Pegel-MOSFET handeln. V_thresh beträgt für diese MOSFETs in der Regel 0,5 V bis 1 V.

Direktanschluss oder nicht?

Ist es grundsätzlich sinnvoll, am Ausgang eines Controllerchips direkt einen Leistungs-MOSFET anzuschliessen? Man darf dabei nicht vergessen, dass die Kapazitäten zwischen Gate und Source sowie zwischen Gate und Drain gerade bei MOSFETs für hohe Ströme etliche nF betragen können. Dies führt gegebenenfalls zu hohen Umschalt-Stromimpulsen am Ausgangspin des Controllers, die bis zur Zerstörung des Controllerausgangs führen können. Man könnte den oben erwähnten Gate-Widerstand zur Dämpfung dieser Stromimpulse erhöhen, jedoch reduziert dies die Steilheit der Schaltflanken. Damit verweilt der MOSFET beim Umschalten länger im linearen Bereich der Kennlinie und es erhöht sich kurzzeitig die Verlustleistung des MOSFETs. Man beachte dazu auch das zum verwendeten MOSFET zugehörige Diagramm "Maximum Safe Operating Area".

Mit einem zusätzlichen kleinen bipolaren Transistor lässt sich der Controller-Ausgang schützen und dessen Ausgangsstrom reduziert sich auf unter 1 mA. Die Vorstufe mit dem 2N2219 hat einen Kollektorkreiswiderstand von 4,7 kΩ, der für schnelle Umladezeiten der Gate-Kapazität sorgt.

Noch besser ist jedoch eine Gegentaktansteuerung mit komplementären Transistoren, bei der sowohl das Durchschalten als auch das Sperren dynamisch erfolgt.

Beim Entwurf einer MOSFET-Schaltung sollte Ihnen bewusst sein, dass anstelle einer Kollektor-Emitterspannung von ca. 0,7 V bis 1,5 V beim Bipolartransistor ein voll gesättigter MOSFET als niederohmiger, linearer Widerstand wirkt. Wenn Sie zum Beispiel 8 A bei 12 V schalten möchten, würde bei einem bipolaren Leistungstransistor mit beispielsweise 1,1 V U_CEsat eine Leistung von 8 * 1,1 = 8,8 W im Halbleiter verbraten. Der MOSFET IRLB3034PbF hat einen R_DSon von 1,7 mΩ, hier beträgt die Verlustleistung 8 * 8 * 0,0017 = 0,11 W. Bei einem IRL540 wären es 8 * 8 * 0,08 = 5,1 W. Der IRL540 bräuchte also schon einen angemessenen Kühlkörper.

Ansteuerung von MOSFETs mit Logik-Pegeln

MOSFETs und Logik-Pegel

Allgemeines

Ansteuern des Gate mit Logikpegeln

Direktanschluss oder nicht?

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