MOSFET-Verluste

Ein MOSFET als Schalter ist entweder ganz an oder ganz aus – trotzdem wird er warm. Im eingeschalteten Zustand fließt der Strom durch den kleinen Kanalwiderstand R_DS(on), und bei jedem Umschalten liegen für einige Nanosekunden gleichzeitig Spannung und Strom an. Bei einer PWM mit vielen Kilohertz summieren sich diese kurzen Momente zu Watt. Der Rechner teilt die Verlustleistung in ihre Anteile auf und rechnet aus, wie heiß die Sperrschicht wird – ohne Kühlkörper und mit deinem Kühlkörper.

Was Leistung grundsätzlich ist, erklärt Elektrische Leistung. Wie aus Leistung eine Temperatur wird, steht unter Wärme und Kühlung. Warum ein MOSFET überhaupt einen Kanal bildet, beschreibt Halbleiter.

So rechnet der Rechner

Die Formeln entsprechen dem üblichen Vorgehen der Hersteller, etwa der Infineon-Applikationsschrift MOSFET Power Losses Calculation Using the Data-Sheet Parameters. Sie gelten für hartes Schalten einer induktiven Last mit Freilaufdiode, also für Motor, Magnetventil oder Schaltregler.

Leitungsverluste. Solange der MOSFET leitet, wirkt er wie ein Widerstand. Mit dem Tastgrad D als Einschaltanteil:

R_DS(on) steigt mit der Temperatur, bei Silizium-MOSFETs um etwa 0,5 bis 0,8 % pro Kelvin. Die Kurve Normalized On-Resistance vs. Temperature im Datenblatt zeigt den genauen Verlauf. Der Rechner nimmt einen linearen Anstieg an und löst die Rückkopplung aus Temperatur und Widerstand exakt.

Schaltverluste. Beim Einschalten steigt zuerst der Strom bei voller Spannung, dann fällt die Spannung bei vollem Strom. Die Leistung p = u · i bildet dabei ein Dreieck, ebenso beim Ausschalten:

Die Schaltzeiten nimmst du entweder aus dem Datenblatt (t_r und t_f), oder der Rechner bestimmt sie aus der Miller-Ladung Q_gd und dem Gate-Strom. Während der Plateauphase liegt das Gate auf der Plateauspannung U_Pl, der Treiber treibt den Strom über den Gate-Widerstand R_G:

Ausgangskapazität. Die Kapazität C_oss zwischen Drain und Source ist beim Ausschalten auf U geladen. Beim nächsten Einschalten entlädt sie sich durch den Kanal:

Gate-Ansteuerung. Bei jedem Einschalten lädt der Treiber die gesamte Gate-Ladung Q_g auf, beim Ausschalten entlädt er sie wieder:

Diese Leistung fällt im Treiber und im Gate-Widerstand an, nicht im MOSFET. Der Rechner zeigt sie deshalb getrennt.

Temperatur. Die Summe aus Leitungs-, Schalt- und C_oss-Verlusten fließt als Wärme über die Wärmewiderstände ab:

So benutzt du ihn

1. Wähle einen MOSFET aus der Liste oder Eigene Werte. Die Vorgaben stammen aus dem Datenblatt des IRLZ44N.
2. Gib Spannung, Strom, Schaltfrequenz und Tastgrad deiner Anwendung ein, etwa „24 V“, „10 A“, „50 kHz“ und „50 %“.
3. R_DS(on) trägst du für die Gate-Spannung ein, mit der du ansteuerst. Schreibweisen wie „25 m“, „25 mΩ“ oder „0,025“ funktionieren.
4. Ladungen schreibst du als „48 nC“, Zeiten als „84 ns“, Kapazitäten als „400 pF“.
5. Wähle, ob die Schaltzeiten aus dem Datenblatt kommen oder aus Gate-Ladung und Gate-Widerstand.
6. Den Kühlkörper gibst du als R_thHA ein. Lässt du das Feld leer, rechnet der Rechner nur ohne Kühlkörper.

Beispiel

Voreingestellt ist ein IRLZ44N im TO-220, angesteuert mit 5 V. Laut Datenblatt hat er bei U_GS = 5 V höchstens 25 mΩ, eine Gate-Ladung von 48 nC, t_r = 84 ns, t_f = 15 ns, C_oss = 400 pF, R_thJC = 1,4 K/W und R_thJA = 62 K/W. Er schaltet 10 A bei 24 V mit 50 kHz und 50 % Tastgrad, die Umgebung hat 40 °C.

Die Leitungsverluste betragen bei 25 °C 10² · 25 mΩ · 0,5 = 1,25 W. Mit Kühlkörper (R_thHA = 10 K/W, Wärmeleitpaste 0,5 K/W) stellt sich eine Sperrschichttemperatur von 66 °C ein. Dort ist R_DS(on) auf 32,2 mΩ gestiegen, die Leitungsverluste auf 1,61 W, die Summe auf 2,21 W. Ohne Kühlkörper würde der MOSFET über 300 °C heiß – der Rechner meldet „zu heiß“. Der Treiber muss 12 mW für das Gate aufbringen.

Praxis und typische Fehler

• R_DS(on) bei 10 V abgelesen, mit 5 V angesteuert. Der Widerstand hängt stark von der Gate-Spannung ab. Ein Standard-MOSFET wie der IRFZ44N schaltet mit 5 V aus einem Mikrocontroller nicht voll durch. Nimm einen Logic-Level-Typ, und lies den Wert für deine Gate-Spannung ab.
• Datenblatt-Schaltzeiten übernommen. t_r und t_f gelten nur für die Messschaltung im Datenblatt, beim IRLZ44N mit 3,4 Ω Gate-Widerstand. Ein Mikrocontroller-Pin liefert nur wenige Milliampere – dann dauert das Umschalten Mikrosekunden statt Nanosekunden. Rechne dann über die Gate-Ladung mit dem tatsächlichen Gate-Widerstand.
• Warmer Widerstand vergessen. Bei 100 °C hat R_DS(on) oft das 1,5-Fache des Wertes bei 25 °C. Der Rechner berücksichtigt das; mit dem Wert aus der ersten Datenblattzeile allein rechnest du zu optimistisch.
• Thermisches Weglaufen. Ist der Kühlkörper zu klein, wird der MOSFET wärmer, sein Widerstand größer und die Verluste steigen weiter. Gibt es keinen stabilen Punkt, meldet der Rechner das.
• Keine Reserve. T_J,max von 175 °C ist ein Grenzwert. Für eine lange Lebensdauer plane 100 bis 125 °C ein.
• Rückstrom der Diode. Beim Einschalten räumt der MOSFET zusätzlich die Ladung der Freilaufdiode aus. Bei schnellen Schaltreglern kann das den Schaltverlust spürbar erhöhen; Schottky-Dioden haben dieses Problem kaum.

Den Kühlkörper bestimmst du genauer mit dem Rechner Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper – die Wärmekette ist dieselbe. Steuert der MOSFET einen Schaltregler, hilft dir der Rechner Schaltregler (Buck und Boost) beim Strom durch den Schalter. Für kleine Lasten mit Bipolartransistor gibt es den Rechner Transistor als Schalter.

Häufige Fragen

• Warum zählt die Gate-Leistung nicht zur Summe? Die Energie zum Umladen des Gates wird im Gate-Widerstand und im Treiber zu Wärme, nur ein kleiner Teil im internen Gate-Widerstand des MOSFETs.
• Wie finde ich die Plateauspannung? Im Diagramm Gate Charge des Datenblatts. Die Kurve verläuft dort eine Zeit lang waagerecht – die Höhe dieses Plateaus ist U_Pl. Beim IRLZ44N liegt sie bei etwa 3 V.
• Gilt der Rechner für resistive Lasten? Er liegt dann auf der sicheren Seite. Bei einer ohmschen Last ändern sich Spannung und Strom gleichzeitig, die Schaltenergie ist nur etwa ein Drittel so groß.