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Warum MOSFET's in SSTC-Brücken sterben

Jeder, der schon einmal eine SSTC oder DRSSTC selber gebaut hat oder versucht hat zu bauen, kennt die Problematik: In der Entwicklungs- und Aufbauphase müssen oft eine Menge MOSFETs ihr Leben lassen. Die Ursachen hierfür sind sehr vielfältig und sollen hier etwas genauer unter die Lupe genommen werden. Die hier beschriebenen Effekte können in der Regel auch auf andere getaktete Schaltungen mit Halb- oder Vollbrücken übertragen werden, wie beispielsweise Induktionsheizer oder Schaltnetzteile. Die Problematiken sind eigentlich immer dieselben.

 

Probleme mit dem Treiber-Design

Ungenügende Flankensteilheit

Eine der grössten Fehlerquellen für tote Endstufen-MOSFETs ist definitiv der Treiberteil. Werden die FETs in der Endstufe nicht mit steilen Rechteckflanken angesteuert, so wird durch unsaubere und/oder zu langsame Schaltvorgänge an den FETs eine grosse Verlustleistung umgesetzt, was meist zu einer schnellen Zerstörung der Endstufe führt. Die Flankensteilheit kann nur mit einem Scope vernünftig überprüft werden. Als Faustregel sollte bei einer SSTC mit GDT-Design die Flanke in weniger als ca. 200ns von -10V bis +10V ansteigen, um die Spule einigermassen sicher und dauerhaft mit Netzspannung betreiben zu können.

Siehe hierzu auch "häufig gestellte Fragen" Punkt 4.

Phasendrehungen während den Flanken

Eine weitere Problematik stellen Unregelmässigkeiten in der Signalform während den Schaltvorgängen dar. Phasendrehungen während dem Ein- oder Ausschaltvorgang eines MOSFET's können bewirken, dass dieser während dem eigentlichen Schalten nochmals kurz in den entgegengesetzten Zustand wechselt, bevor der gewollte Schaltvorgang abgeschlossen ist. So kann es beispielsweise passieren, dass während der Abschaltflanke der FET plötzlich nochmals kurzzeitig einschaltet, bevor er endgültig abgeschalten wird. Dieses kurze Einschalten bewirkt eine zusätzliche Verlustleistung im MOSFET und kann auch zu einem sogenannten Shoot-Through führen, also zu einem Durchschuss, wo kurzzeitig beide MOSFETs in der Brücke gleichzeitig leiten und damit die Speisung kurzschliessen. Dies kann gleich beide MOSFETs killen.

Maximale Gatespannung des MOSFETs überschritten

Besonders bei leistungsfähigen Treibern kann es vorkommen, dass das Gatesignal eine zu hohe Amplitude aufweist und damit den Gate-Kanal zerstört. Dies kann entweder dadurch passieren, dass der GDT mit falschem Verhältnis gewickelt wurde oder dass das Ansteuersignal erhebliches Einschwing- und Überschwingverhalten zeigt. Die meisten FETs halten maximal +/- 20V aus an ihrem Gate.

 

Probleme mit dem Oszillatorteil

Fehlende Abschirmung, aussetzende Potentiometer und Überspannung im Feedback

Der Oszillator ist eine der empfindlichsten Stufen in einer SSTC. Ist er nicht genügend abgeschirmt vom Leistungsteil oder arbeitet er nicht stabil, kann dies zur sofortigen Zerstörung der Endstufe führen. Auch aussetzende Potis und dergleichen können Schäden in der Brücke bewirken. Bei selbstschwingenden Schaltungen, welche mit Feedback arbeiten, ist immer auch eine gewisse Gefahr von Überspannung oder Störeinflüssen am Antenneneingang gegeben, was den Oszillator durcheinanderbringen kann und damit letztlich ebenfalls zu einer defekten Endstufe führen kann.

Fehlende dead-time

In einer Halbbrücke wechseln sich der High-Side-FET und der Low-Side-FET immer ab mit leiten und sperren. Wenn der eine leitet, sperrt der andere und umgekehrt. Ein Fehlerfall, der unbedingt vermieden werden muss, ist der sogenannte Shoot-Through-Fall. Ein Shoot-Through (Durchschuss) erfolgt dann, wenn beide MOSFETs (der High-Side-FET und der Low-Side-FET) gleichzeitig leiten, was ein sehr unschöner Fehlerfall ist und meist beide FETs sofort zerstört. Um dies zu vermeiden, sollte der Oszillator beim Wechsel der Zustände eine sogenannte dead-time einfügen, eine kurze Zeit, in der beide MOSFETs sperren. Damit wird nicht nur der extreme Durchschussfall vermieden, sondern auch die abgeschwächte Variante, bei der bei jedem Wechsel für ganz kurze Zeit beide FETs leiten und damit zwar überleben, aber dauerhaft  eine ziemllich hohe Verlustleistung umsetzen und damit absolut keine Reserven mehr für weitere Verluste bestehen.

 

Probleme von der Resonatorseite her gesehen

Überlast der Brücke durch schlecht dimensionierte Primärspule

Eine defekte Brücke kann auch auf ungünstige Eigenschaften der Last hindeuten. Hat die Primärspule zu wenige Windungen oder ist deren Durchmesser zu klein, so ist die Impedanzanpassung zwischen Endstufe und Resonator schlecht, was zu einer hohen Verlustleistung in den Transistoren führen kann und diese damit überlastet. Im Optimalfall (Leistungsanpassung) wird die maximale Leistung in den Resonator übertragen und es wird nur wenig in der Brücke verheizt. Ist diese Anpassung jedoch absolut nicht gegeben, so kann es sein, dass ein grosser Teil der Leistung vom Resonator reflektiert wird (Stehwellen) und die Brücke zerstört wird oder dass eben die Leistung nur am Innenwiderstand der Brücke umgesetzt wird.

Überlast durch ungünstige Eigenschaften der Sekundärspule

Ein zu grosses Topload oder eines ohne Spitze für den Funkenausbruch kann eine ungeheure Belastung für die Endstufe darstellen. Gleiches gilt für eine zu hohe Kopplung zwischen Primär und Sekundärspule. Auch Einschläge von der Sekundärspule in die Primärspule bewirken meist einen sofortigen MOSFET-Tod.

Risiko durch willkürliche Laständerungen und Umgebungsänderungen

Beim Funkenziehen auf eine geerdete Elektrode oder bei einem Wechsel der Umgebung kann es passieren, dass sich die Resonanzfrequenz signifikant ändert und damit auch die Last für die Endstufe (speziell bei sehr hochfrequenten SSTCs im MHz-Bereich). Eine solche Situation kann ebenfalls die Endstufe töten.

 

Probleme von der Speisungs-Seite

Transienten und Überspannung im Netz

Auch ein Fehlerfall in der Speisung der Brücke kann zu toten Power-MOSFETs führen. Transienten, Spannungsüberhöhungen und grössere Spannungsschwankungen können eine Brücke killen. Ein Netzfilter kann zumindest Transienten etwas dämpfen und hilft gleichzeitig, mögliche Störungen der SSTC nach aussen ins Netz zu unterbinden.

Speisung mit geglätteter Vollgleichrichtung

Speist man die Brücke mit Vollgleichrichtung und Glättung, so ist die Last für die Endstufe ungleich höher als wenn man nur mit halbgleichgerichteter Netzspannung arbeitet. Bei Halbgleichrichtung hat die Endstufe immer eine Halbwelle Zeit, um sich "auszuruhen".

Strombegrenzung für die Brücke

Brücken, die ohne Strombegrenzung direkt an 230V-Netzspannung betrieben werden, leben meist gefährlich. Ein SSTC-Design muss schon sehr ausgereift und erprobt sein, um direkt an Netzspannung stabil arbeiten zu können. Mit einem Variac oder einer Drossel kann der Strom etwas in Grenzen gehalten werden.

 

Probleme in der Endstufe selber

Fehlende Freilaufdioden

Durch ungenügende Schutzmassnahmen in der Brücke selber können die MOSFETs ebenfalls ihr Leben lassen. Fehlende Freilaufdioden haben beispielsweise zur Folge, dass  von der Primärspule erzeugte Selbstinduktionsspitzen nicht abgeleitet werden können und die MOSFETs abschiessen können. 

Fehlende Schottkydioden

Durch die in der Primärspule gespeicherte Energie kann es im Abschaltmoment passieren, dass Ströme über die interne Bodydiode fliessen. Dies wird besonders im Umschaltmoment ein Problem. Da die interne Bodydiode eines FETs normalerweise relativ langsam ist, kann es passieren, dass im Umschaltmoment der eine FET bereits einschaltet, wenn beim anderen noch die interne (langsame) Bodydiode leitend ist. Dies kann zu einem Crash führen. Die externe Schottkydiode hat die Aufgabe, die interne Bodydiode des FETs zu deaktivieren.

Fehlende Z-Dioden an den Gates

Werden die Z-Dioden an den Gates weggelassen, so können Spannungsspitzen am Gate zu einem Durchschuss der Gate-Source-Strecke führen und den FET damit zerstören.

Zu lange Verbindungen im Leistungsteil

Lange Verbindungen im Leistungsteil weisen parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten auf, welche dazu führen können, dass Power-MOSFETs im Moment des Schaltens zu Schwingverhalten neigen. Dies ist natürlich absolut unerwünscht und kann die FETs ebenfalls das Leben kosten.

 

Andere Probleme für die FETs

Einschalt-Reihenfolge

Werden die Komponenten einer SSTC in der falschen Reihenfolge eingeschaltet, so kann dies die Zerstörung der Brücke bewirken. Warum? Wird der Oszillator/Treiberteil erst am Schluss eingeschaltet, so kann es sein, dass zuerst ein unschönes Signal kommt, bevor der Oszillator stabil schwingt. Solche hässlichen "Startsignale" können die Endstufen-FETs unkontrolliert ansteuern, sodass es zum Durchschuss kommt. 

Eckdaten des Mosfets

Gewisse Eckdaten müssen zwingend eingehalten werden, und zwar alle gleichzeitig. Maximaler Drain-Source-Strom, Maximale Drain-Source-Spannung, maximale Verlustleistung und maximale Gate-Source-Spannung sind die wichtigsten dieser Eckdaten. Diese Eckdaten können ändern mit steigender Temperatur und/oder steigenden Schaltfrequenzen. Wird auch nur eine einzige dieser Kenngrössen überschritten, so stirbt der Mosfet. Wenn man nun also diese Eckdaten betrachtet, so muss man immer jede Grösse für sich betrachten. Wird beispielsweise nur die halbe Drain-Source-Spannung genutzt, so heisst das nicht, dass dann dafür aufgrund der maximal erlaubten Verlustleistung der doppelte Drain-Source-Strom fliessen darf. Es gilt immer jede Spezifikation gleichzeitig mit allen anderen einzuhalten.

 

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