Sicherer Arbeitsbereich (SOA)

Beim Schalten eines Transistors oder MOSFET wird zwischen den Zuständen EIN und AUS gewechselt.

Betrachten wir die Zustände in Bezug auf die Spannung und den Strom am Transistor bzw. MOSFET.

EIN: hoher Strom, geringe Spannung, geringe Leistung

AUS: geringer Strom, hohe Spannung, geringe Leistung

Was passiert beim Schalten?

• Das Schalten erfolgt sehr schnell, aber in einer Zeit, die den Transistor (MOSFET) kurzzeitig belastet.

• Die Schaltgeschwindigkeit ist je nach Transistor (MOSFET) und Ansteuerschaltung unterschiedlich.

• Während des Schaltvorgangs können je nach Schaltung Zustände mit hohem Strömen und gleichzeitig hohen Spannungen auftreten.

Messschaltung für das Ein- und Ausschalten

Um die Spannungsverläufe zu klären, messen wir diese in einer Messschaltung nach. Der Schaltvorgang eines Transistors ist sehr schnell, er dauert nur wenige µs. Wir verlangsamen diesen Vorgang, indem wir den Basisstrom des Transistors manuell mit einem Potentiometer einstellen.

Die Schaltung in Bild 1 hat den Nachteil, dass der Transistor überlastet wird. Wir können jedoch die Verläufe des Kollektorstroms und der Kollektor-Emitter-Spannung darstellen, indem wir einfach die Widerstände vergrößern. Anstelle von Ω nehmen wir einfach kΩ.

Transistoren werden nicht immer - meistens nicht - mit rein ohmscher Last betrieben. Es gibt auch kapazitive und induktive Lasten.

Diese Schaltung können wir nicht so einfach messen. Wir können aber abschätzen, wie sie sich verhält.

Bei kapazitiver Last

Wenn der Transistor eingeschaltet wird, fließt zunächst ein Strom von 10A durch den Kondensator und den Widerstand R_v. Dieser Strom nimmt mit der Zeit ab, da sich der Kondensator auflädt. Parallel dazu steigt der Strom durch R_L wie in der Schaltung in Bild 1. Der tatsächliche Verlauf hängt von den Werten des Kondensators, der Widerstände und vor allem von der Schaltgeschwindigkeit des Transistors ab. Es kann davon ausgegangen werden, dass der Strom zwischen Ein- und Auszustand konstant hoch bleibt und erst im Auszustand abfällt.

Wird die kapazitive Last ausgeschaltet, fließt zwischen Ein- und Auszustand kein Strom.

Bei induktiver Last

Beim Einschalten des Transistors fließt zunächst kein Strom zwischen Aus- und Einzustand. Er steigt dann im Einzustand auf seinen Maximalwert von 10A an.

Wenn der Transistor ausgeschaltet wird, fließt weiterhin ein Strom von 10A durch die Induktivität und den Widerstand R_l. Erst im Auszustand geht der Strom durch den Transistor auf Null zurück, da die Diode den Strom aufnimmt. Der Strom durch die Induktivität nimmt mit der Zeit ab. Der tatsächliche Verlauf hängt von den Werten der Induktivität, des Widerstands und vor allem von der Schaltgeschwindigkeit des Transistors ab. Es kann davon ausgegangen werden, dass der Strom zwischen Ein- und Auszustand konstant hoch bleibt.

In Bild 3 ist der Spannungs- Stromverlauf in der Schaltung aus Bild 1 violett dargestellt. Die Leistung im Transistor P_t=U_ce*I_c ist grün dargestellt. Wie bereits eingangs beschrieben, beträgt die Leistung im Transistor im Zustand EIN (U_CE=0V, I_C=10A) und im Zustand AUS (U_CE=50V, I_C=0A) 0W. Am höchsten ist die Leistung bei U_CE=25V: P_t=25V*5A=125W

Der Spannungs- Stromverlauf in der Schaltung in Bild 2 ist blau dargestellt. Der Strom beträgt 10A bei Spannungen zwischen 0V und 50V.

Die Leistung, orange Kurve, im Transistor ist zu Beginn ziemlich hoch: P_t=50V*10A=500W. Diese Leistung ist so hoch, dass sie den Transistor gefährden oder sogar beschädigen kann.

Dies hängt davon ab, wie lange der Transistor mit hoher Leistung betrieben wird. Meistens tritt die hohe Leistung nur für Milli- oder Mikrosekunden auf.

Wir wollen einen großen Bereich von Strömen und Spannungen im Transistor betrachten, von einigen mA bis über 100A bzw. von 0,1V bis über 100V. Dafür ist eine logarithmische Darstellung besser geeignet.

In Bild 4 sind die Verläufe aus Bild 3 logarithmisch dargestellt.

Wir haben verschiedene Verläufe der Ein- und Ausschaltvorgänge des Transistors betrachtet.

Wenden wir uns nun einer allgemeineren Betrachtung zu: In welchen Bereichen dürfen die Ein- und Ausschaltvorgänge eines Transistors überhaupt liegen, ohne den Transistor zu zerstören?

Betrachten wir zunächst den maximalen Bereich, in dem der Transistor betrieben werden darf. Die schwarze Kennlinie stellt den maximal zulässigen Strom und die maximal zulässige Spannung dar. Außerhalb dieses Bereichs wird der Transistor zerstört.

Wenn der Transistor mit Gleichstrom betrieben wird. Er muss im Bereich SOA für Gleichstrom, violett, betrieben werden. Für jede Kollektor-Emitter-Spannung ist ein maximaler Strom dargestellt.

Wird der Transistor als Schalter eingesetzt, kann er kurzzeitig mit hoher Last betrieben werden.

Wenn die hohe Last unter 5ms anliegt, kann der Transistor im Bereich unterhalb der orangen Linie betrieben werden. Die gelbe Linie gilt für 1ms und die dünne blaue Linie für 0,1ms, 100µs.

MOSFETs

Der sichere Arbeitsbereich eines MOSFETs ist ähnlich dem eines Bipolartransistors. Neu ist, dass der maximale Bereich, schwarze Kennlinie, in dem der Transistor betrieben werden darf, nach links unten abknickt. Dieses ist keine wirkliche maximale Begrenzung, sondern liegt daran, dass der Einschaltwiderstand R_dson des MOSFETs keine höheren Ströme zulässt.

Moderne MOSFETs sind meistens nur für den Betrieb als Schalter ausgelegt. Sie haben keinen zulässigen SOA-Bereich für Gleichstrom (DC).

• MOSFETs ohne SOA für DC, dürfen nicht analog betrieben werden!

• Moderne MOSFETs sind im Prinzip integrierte Schaltungen mit vielen, tausenden, parallel geschalteten winzigen MOSFETs.

• Unter DC-Belastung kann einer dieser winzigen MOSFETs zerstört werden, sodass mit der Zeit der MOSFET selbst zerstört wird.

• Für analoge Schaltungen MOSFETs mit einem DC-SOA verwenden.

• Oder hoffen, dass alles gut geht, weil der MOSFET nur mit geringer Last betrieben wird.

Näheres Siehe: Details zum Sicheren Arbeitsbereich