Sicherer Betrieb von parallel geschalteten Leistungstransistoren für Hochstrom-Anwendungen im Kraftfahrzeug

Der Ersatz mechanischer Schalter im KFZ durch elektronische Leistungsschalter hat wesentlich zur Steigerung der Zuverlässigkeit beigetragen. Für kleine und mittlere Stromniveaus ist dieser Wandel bereits vollständig vollzogen – gegenwärtig wird der Hochstrombereich mit Spitzenströmen von über 1000 A erschlossen. Neben Hochstromschaltern für elektrische Lasten werden demnächst auch in elektrischen Energieerzeugern Leistungsschalter anstelle einfacher Dioden benötigt. Für die stetig steigende Bordnetzleistung kommen neue Generatortypen zum Einsatz, die elektronische Umrichter mit Leistungsschaltern zur Ansteuerung verwenden. Bekannte Beispiele hierfür sind Starter-Generator-Maschinen auf der Kurbelwelle in Synchron- oder Asynchronbetrieb. Für die dabei auftretenden Strombereiche benötigt man extrem niederohmige MOS-Transistoren mit wenigen Milliohm Einschaltwiderstand bei entsprechend großen Chipflächen. Dabei entsteht das Problem geeigneter Wärmeabfuhr. Montagetechnologien, wie sie in der Industrieelektronik für Leistungsmodule verwendet werden, scheiden aus Kostengründen aus. Auch Sondermontagen von extrem großen Chips sind wegen möglicher Lunker (Gasblasen) unter dem Chip problematisch hinsichtlich der Wärmeabfuhr und damit ihrer Zuverlässigkeit. So ist die Parallelschaltung vonTransistoreninStandardgehäusen in den meisten Fällen der beste technisch-wirtschaftliche Kompromiss. Problematisch ist hierbei die gleichförmige Aufteilung des Stroms auf alle Transistoren. Während im statischen Fall der positive Temperaturkoeffizient des Durchlasswiderstands die geforderte Gleichverteilung bewirkt, ist während des Schaltens die Parameterstreuungen der Transistoren von großer Bedeutung. Bei einer sinnvollen Ausnutzung des Strombereichs für den Einzelschalter und unter Berücksichtigung der spezifizierten Parameterverteilungen wird sehr schnell – und nicht nur unter Worst-Case-Bedingungen – der erlaubte Arbeitsbereich (SOA) verlassen. Die notwendige Selektion der Leistungstransistoren auf eine eingeengte Streuung ist wirtschaftlich weder beim Halbleiterhersteller noch beim Anwender vertretbar.