Leiterplatte unter der Lupe, Simulationsmodelle für Leistungs-MOSFETs

Die Simulation einer Schaltung mit Standard-Modellen liefert nur einen teilweisen Einblick in deren tatsächliches Verhalten. Neue thermoelektrische Modelle geben dem Entwickler einen wirklich präzisen Einblick in sein Design und können Überdimensionierungen verhindern. (Bild: AdobeStock_193942453_LIGHTFIELD STUDIOS)

Insbesondere wenn es darum geht, vorherzusagen, wie sich eine Schaltung in einer praktischen Anwendung tatsächlich verhalten wird, stellt Ingenieure beim Leiterplattendesign vor große Herausforderungen. Denn die zur Verfügung stehenden Standardmodelle bilden die Realität nur teilweise ab.

Der Nutzen von SPICE-Simulationen ist in diesem Zusammenhang begrenzt. Beispielsweise können die meisten Standardmodelle nur das Verhalten diskreter Bauteile bei bestimmten Temperaturen (meist 25 °C) simulieren. Andere wichtige Bauteilparameter, die z. B. Aufschluss über die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) einer Schaltung geben könnten, werden von Standard-Simulationsmodellen oft nicht berücksichtigt. In dieser Hinsicht sind Entwickler diskreter Schaltungen noch lange nicht so gut aufgestellt, wie die Kollegen, die sich mit der Bemessung integrierter Schaltungen befassen und über allumfassende Modelle verfügen.

Dieser Artikel zeigt die Beschränkungen der Standardmodelle für Leistungs-MOSFETs auf und stellt Alternativen vor. Dafür wurde eine einfache Halbbrückenschaltung simuliert, die in einem breiten Spektrum von Motorsteuerungsanwendungen zum Einsatz kommt. Diese Simulation wird einer neuen, fortschrittlichen Serie elektrothermischer Modelle gegenübergestellt. Das elektrothermische Modell gibt Entwicklern von Schaltungen einen wesentlich besseren und genaueren Einblick in das tatsächliche Verhalten ihrer Bauteile auf einer Leiterplatte in einer realen Anwendung.

Beschränkungen der Standardmodelle

Zur korrekten Vorhersage des Schalt- und EMV-Verhaltens eines MOSFETs ist ein präzises Modell seiner statischen und dynamischen Eigenschaften über den gesamten Betriebstemperaturbereich erforderlich. Ein solches Modell ermöglicht es, genaue Schaltungssimulationen mit einem SPICE-Softwarepaket vorzunehmen. Jedoch ist es häufig nicht ratsam, sich auf die Standardmodelle der Hersteller von Bauteilen zu verlassen, da sie nicht alle erforderlichen Informationen bereitstellen.

Dies bedeutet, dass Entwickler diskreter Bauteile manchmal Annahmen über Aspekte des Bauteilverhaltens treffen müssen. Um auf der sicheren Seite zu sein, gehen sie häufig vom jeweils schlimmsten Fall aus. Eine solche Vorgehensweise kann jedoch subtilere Leistungsprobleme auf der Leiterplatte verschleiern oder sogar zu Bemessungen führen, die für den erforderlichen Zweck überdimensioniert sind. Hinzu kommt, dass sich die verfügbaren Standardmodelle in der Regel nicht dafür eignen, das EMV-Verhalten eines Bauteils vorherzusagen, bevor eine Leiterplatte physisch gefertigt wird.

So verhindern neue Modelle eine Überdimensionierung

Standard-Simulationsmodelle für Leistungs-MOSFETs lassen einige Parameter meist unberücksichtigt. Daher besteht die Gefahr, dass z. B. bei der SPICE-Simulation Effekte viel stärker auftreten, als sie später beim realen Test im Labor tatsächlich sind. Daher kann es vorkommen, dass der Entwickler seine Schaltungen grundlos überdimensioniert. Neue elektrothermische Simulations-Modelle bieten hier eine Alternative, denn sie ermöglichen es dem Entwickler, das reale Verhalten seines Designs viel präziser einschätzen zu können. So verhindert z. B. die Berücksichtigung des Reverse-Recovery-Verhaltens der Body-Diode, dass die Simulation ein viel zu starkes Überschwingen der Spannung ausgibt. Zusätzlich ermöglichen es die Modelle, die Schaltung über den gesamten Betriebstemperaturbereich der MOSFET zu simulieren.

Test von Leistungs-MOSFETs

Der Doppelimpulstest ist ein industrielles Standardtestverfahren zur Charakterisierung des Schaltverhaltens von Leistungshalbleitern, die speziell für die Prüfung der Bauteilleistung in induktiven Klemmschaltungsanwendungen bestimmt sind. Das Testverfahren basiert auf einer Halbbrückenkonfiguration mit einer induktiven Last mit einem Low-Side-MOSFET-Schalter und einem High-Side-MOSFET. Dieser ist so konfiguriert, dass er als Freilaufdiode fungiert (Bild 1). Es werden hintereinander zwei Impulse an das Gate des Low-Side-MOSFET angelegt (daher der Name des Tests). Der erste Impuls schaltet den Low-Side-MOSFET ein und bewirkt, dass Strom durch die Spule fließt und diese auflädt. Als nächstes wird das Gate-Signal auf Masse gelegt, wodurch der MOSFET ausgeschaltet wird und der Strom durch die Body-Diode des High-Side-MOSFET mit Freilauf in die Spule fließt. Bei diesem Vorgang wird Ladung im P-N-Übergang der High-Side-Diode aufgebaut – auch Reverse Recovery Charge oder Sperrverzögerungsladung (Qrr) genannt.

Sobald der zweite Impuls an das Gate des Low-Side-Bauteils angelegt wird, schaltet es sich wieder ein. Dadurch fließt wieder Strom in der Schaltung, wobei jedoch die zuvor im P-N-Übergang des oberen Bauteils gespeicherte Ladung ebenfalls abgebaut werden muss. Diese Qrr-Ladung erzeugt ein kurzzeitiges, hochfrequentes transientes Signal (Reverse Recovery Current oder Sperrverzögerungsstrom genannt), das mit den Störsignalen auf der Leiterplatte und im MOSFET selbst interagiert. Dieses Phänomen beeinträchtigt die EMV-Leistung der Schaltung aufgrund der dabei entstehenden Spannungs- und Stromüberschwinger. Um die Auswirkungen dieses Effekts genau zu bestimmen, ist es wichtig, dass die Bauteilmodelle das Verhalten der Body-Diode bezüglich der Reverse Recovery Charge erfassen, damit die Frequenz und Dämpfung der entstehenden Schwingungen (auch Überschwingen oder „Klingeln“ genannt) gemessen werden können.

Bild 1: Doppelimpulstest mit Standard-Leistungs-MOSFET-Modellen. Das starke Überschwingen der Spannung tritt auf, weil die meisten Standard-Modelle das Reverse-Recovery-Verhalten der Body-Diode nicht berücksichtigen. Beim realen Test des Bauteils im Labor wird dieser Effekt nicht gemessen.
Bild 1: Doppelimpulstest mit Standard-Leistungs-MOSFET-Modellen. Das starke Überschwingen der Spannung tritt auf, weil die meisten Standard-Modelle das Reverse-Recovery-Verhalten der Body-Diode nicht berücksichtigen. Beim realen Test des Bauteils im Labor wird dieser Effekt nicht gemessen. (Bild: Nexperia)

Dieses Verhalten der Diode wird in den Simulationsmodellen vieler Hersteller normalerweise nicht berücksichtigt, so dass das Ausmaß des beim zweiten Einschalten verursachten Überschwingens erheblich erscheinen kann. Bild 1 zeigt z. B. die Ergebnisse einer Doppelimpuls-Simulation bei einer Serie von Standard-MOSFET-Modellen, die ein Überschwingen der Spannung um 75 Prozent zeigen, das fast 0,5 µs lang andauert. Wenn reale Bauteile anschließend im Labor ausgewertet werden, tritt ein Überschwingen derartigen Ausmaßes in der Praxis nicht auf. Die Diskrepanz wird dadurch verursacht, dass das Standardmodell das Reverse-Recovery-Verhalten der Body-Diode nicht erfasst.

Dies ist bedenklich, denn das Ausmaß des Überschwingens reicht aus, um andere Effekte zu verbergen, die durch das Vorhandensein anderer parasitärer Effekte auftreten können. Möglicherweise erweisen sich diese erst dann als problematisch, wenn eine Leiterplatte bereits hergestellt wurde. Die Beschränkungen dieser Modelle bedeuten, dass sie nicht dazu verwendet werden können, die EMV-Leistung der Schaltung zu beurteilen. Diese kann erst nach umfangreichen Labortests quantifiziert werden, die wesentlich später im Produktentwicklungsprozess erfolgen. In diesem Stadium sind Änderungen an der Bemessung, die zur Verbesserung der EMV-Leistung erforderlich sind, erheblich schwieriger und kostspieliger umzusetzen.

Präzisere elektrothermische Modelle

Neue elektrothermische Modelle für die Verwendung mit SPICE und VHDL-AMS stellt z. B. Nexperia bereit. Mit ihnen lässt sich das Verhalten von Leistungs-MOSFETs präzise erfassen, sodass die Einschränkungen der Standard-Modelle umgangen werden können. Zu diesen Modellen gehört auch eines für die präzise Abbildung der Reverse Recovery für die Body-Diode. Bild 2 zeigt z. B. die Ergebnisse der gleichen, oben erwähnten Bauteilsimulation (ein BUK7S1R0-40H N-Kanal 40 V, 1 mΩ MOSFET in LFPAK88), bei der jedoch diesmal die genannten neuen Modelle verwendet wurden. Es ist ein erheblich geringeres Überschwingen zu beobachten, und die Oszillationen klingen in einem viel kürzeren Zeitintervall ab (<0,2 µs), als bei der Verwendung von Standard-Modellen.

Bild 2: Doppelimpulstest mit den elektrothermischen Leistungs-MOSFET-Modellen. Das Überschwingen der Spannung ist deutlich geringer und klingt in einem Zeitintervall von <0,2 µs ab.
Bild 2: Doppelimpulstest mit den elektrothermischen Leistungs-MOSFET-Modellen. Das Überschwingen der Spannung ist deutlich geringer und klingt in einem Zeitintervall von <0,2 µs ab. (Bild: Nexperia)

Diese neuen Modelle bilden die im Labor gemessene tatsächliche Leistung präziser ab, wobei die Diskrepanz zwischen simulierten und Labormessungen bei einigen Parametern nur 0,9 Prozent beträgt. Dank dieser größeren Präzision können Entwickler die EMV-Leistung ihrer Schaltung in der Praxis nun sicherer einschätzen. Die elektrothermischen Modelle geben nicht nur das Verhalten der Bauteile genauer wieder, sondern können auch dazu verwendet werden, die Leistung der Bauteile über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg zu untersuchen. Bild 3 zeigt den simulierten Einschaltwiderstand (RDS-ON) für dieselben MOSFETs bei Temperaturen zwischen -55 °C und +175 °C – die Simulationen können jedoch auch bei jeder anderen gewünschten Temperatur erfolgen. So können Entwickler besser nachvollziehen, wie sich ihr Design in den für verschiedene Anwendungen erwarteten Betriebstemperaturbereichen verhält.

Bild 3: Einschaltwiderstand des BUK7S1R0-40H-Leistungs-MOSFETs von Nexperia simuliert über den gesamten Betriebstemperaturbereich.
Bild 3: Einschaltwiderstand des BUK7S1R0-40H-Leistungs-MOSFETs von Nexperia simuliert über den gesamten Betriebstemperaturbereich. (Bild: Nexperia)

Fazit

Die Standard-Simulationsmodelle von Herstellern für Leistungs-MOSFETs versäumen die Einbeziehung einiger wichtiger Bauteilparameter und bieten so nur einen unvollständigen Einblick in die Leistungsmerkmale der Schaltung (z. B. EMV). Außerdem simulieren sie in der Regel nur die Leistung eines Bauteils bei einer bestimmten Temperatur. Bemessungen mit Standard-Modellen sind oft unnötig überspezifiziert oder zeigen Probleme erst spät im Produktentwicklungsprozess, wenn ihre Behebung schwierig und kostspielig ist. Eine neue Serie elektrothermischer Modelle von Nexperia modelliert präzise die Reverse Recovery der Body-Diode in den eigenen Leistungs-MOSFETs und ermöglicht es so, das Verhalten der Bauteile über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg zu simulieren.  Sie bieten Entwicklern viele Vorteile: So können sie den Ergebnissen ihrer SPICE-Simulationen mehr Vertrauen schenken und in einem wesentlich früheren Stadium des Entwicklungsprozesses Einblicke in die EMV-Leistung ihrer Schaltung gewinnen. (na)

Andy Berry

Principal Product Modelling Engineer bei Nexperia.

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