Mit PIN-Schottky-Hybrid-Dioden SiC-Parameter erreichen

Stromversorgungen sind heute praktisch durchgehend getaktet, denn nur diese Technik liefert gute Wirkungsgrade. Nachteilig ist dabei jedoch die ungleichmäßige Belastung der Netzspannung durch die Gleichrichtung und Siebung, denn die Spitzen der Sinuswellen werden gekappt. Als Schaltnetzteile noch wenig verbreitet waren, stellte dies kein Problem für das Stromnetz dar. Heute verfügen jedoch selbst gewöhnliche LED-Leuchtmittel meist über ein getaktetes Netzteil. Eine aktive Leistungsfaktorkorrektur soll diese Netzstörungen vermeiden, doch erzeugt sie zusätzliche Verluste und verschlechtert den Wirkungsgrad, den es doch eigentlich zu erhöhen gilt.

Hoher Wirkungsgrad oder guter Leistungsfaktor?

Bild 1: Prinzipschaltbild des Eingangsgleichrichters eines Schaltnetzteils mit PFC-Stufe. Hy-Line Power

Statt der kontinuierlichen Stromaufnahme eines ohmschen Widerstands oder eines zwar phasenverschobenen, aber dennoch kontinuierlichen Stromflusses durch induktive und kapazitive Lasten ist die Belastung durch den Gleichrichter mit nachfolgendem Ladekondensator einer getakteten Stromversorgung impulsartig. Eine Belastung der Netzspannung findet nur im Spitzenwert statt, um den Kondensator nachzuladen. Das führt zu Oberwellen sowie starken, impulsartigen Strömen im Netz und bewirkt damit hohe Leitungsverluste. Zusätzlich führen die abgeschnittenen Spannungsspitzen zu sinkenden Ladespannungen an den Ladekondensatoren der Schaltnetzteile und verringern damit die Reserve bei Unterspannung im Netz.

Schaltungen zur Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) arbeiten üblicherweise mit einem zusätzlichen, vorgeschalteten Aufwärtswandler, der Gleichrichter und Ladekondensator über fast die gesamte Phase mit Strom bedient und nicht nur im Bereich der Spitzenwerte der Sinusspannung (Bild 1). Damit treten weniger Probleme bei der Leitungsüberlastung und auch bei Oberwellen auf, sofern die PFC-Schaltung selbst sauber arbeitet und nicht ihrerseits Oberwellen erzeugt. Doch der Wirkungsgrad sinkt trotz der nun besseren Netzauslastung, weil ein weiterer Wandler im Spiel ist. Es ist also notwendig, den PFC-Wandler möglichst effektiv zu gestalten, um den Nutzen der PFC nicht zu entwerten. Eine Schlüsselkomponente ist neben der Induktivität die dabei verwendete Diode. Sie muss schnell schalten, doch nicht zu hart, und vor allem eine geringe Rückwärtssperrladung Q_RR aufweisen. Die standardmäßig genutzten Silizium-Ultra-Fast-Dioden sind zwar schnell, doch in den anderen beiden Punkten eher ungünstig. Mitunter kommen hier SiC-Halbleiter zu Einsatz, doch ist selbst deren Q_RR nicht optimal. Zudem ist ihre Durchlassspannung höher und damit steigen auch die Verluste im eingeschalteten Zustand.

Warum Geschwindigkeit nicht alles ist erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Bild 2: Wirkungsgradzuwachs bei Einsatz von Q-Speed-Dioden anstelle von Ultra-Fast-Modellen bei einem PFC-Netzteil mit 110 V Eingangsspannung und 840 W Ausgangsleistung. Hy-Line Power

Geschwindigkeit ist nicht alles

Power Integrations (Vertrieb durch Hy-Line Power Components) bietet unter anderem die effizienten Q-Speed-Dioden für PFC-Applikationen an. Diese Dioden in herkömmlicher Siliziumtechnik liefern bei Durchlassspannung, Sperrspannung und -strom sowie bezüglich Geschwindigkeit die Werte von vergleichsweise teureren SiC-Dioden, sind jedoch nur marginal teurer als gewöhnliche Silizium-High-Speed- oder Ultra-Fast-Dioden.

Da die Q-Speed-Dioden dank Soft Recovery geringere Funkstörungen verursachen als herkömmliche, hart schaltende Silizium-Ultra-Fast-Dioden mit Platin-Dotierung, eignen sie sich hervorragend für die PFC-Applikation direkt am Stromnetz, wo sich sonst jede Art von Funkstörungen durch harte Schaltflanken sofort ausbreitet. Somit können Komponenten zur Funkentstörung entfallen, die ihrerseits den Wirkungsgrad verringern und zusätzliche Kosten verursachen.

Im Vergleich zu konventionellen Silizium-Ultra-Fast-Modellen erreichen Q-Speed-Dioden in PFC-Schaltungen einen bis zu fünf Prozent höheren Wirkungsgrad (Bild 2), sorgen durch geringere Reverse-Charging-Kapazitäten für eine Temperaturreduktion der MOSFETs von 5 bis 20 K und liefern bessere EMV-Werte. Mit kleiner dimensionierten MOSFETs bleiben die Gesamtkosten trotz gestiegener Energieffizienz gleich oder sinken sogar, da sich auch der Aufwand bei der Filterung verringert. Der Wirkungsgrad eines solchen Netzteils mit PFC steigt um fast ein Prozent an.

Die richtigen Dimensionen wählen

Bild 3: Vergleich der Rückwärts-Erholzeiten von Q-Speed- (magenta) und Ultra-Fast-Dioden (schwarz). Hy-Line Power

Q-Speed-Dioden sind aktuell bis 600 V / 20 A sowie 300 V / 30 A erhältlich. Die Ausführung als Zweifach-Dioden mit gemeinsamer Kathode vereinfacht die Montage an Kühlflächen. Es ist jedoch nicht sinnvoll, die Diode sicherheitshalber ein oder zwei Nummern größer zu dimensionieren als nötig. Dioden mit höheren Spannungs- oder Stromfestigkeiten müssen beim Umpolen der Spannung eine größere Ladung abbauen, wodurch die Effizienz der Schaltung sinkt und die Kosten unnötig ansteigen (Bild 3). Als Faustregel zur richtigen Dimensionierung empfiehlt der Hersteller etwa 1 A pro 100 W Netzteilleistung.

Einige Bauteileigenschaften von Siliziumdioden arbeiten jedoch gegeneinander: Eine stärkere Erhitzung der Halbleiter bei der Dotierung begünstigt die Diffusion der Dotanden, wodurch die Durchlassspannung sinkt, dafür jedoch Q_RR steigt. Q-Speed-Dioden sind jedoch auf einen geringen Q_RR-Wert optimiert. Die X-Serie hat die geringsten Durchlassverluste, also eine geringe Vorwärtsspannung, die H-Serie ist besonders schnell und zeigt damit die geringsten Schaltverluste und die Q-Serie schaltet besonders sanft und zeigt damit das günstigste EMV-Verhalten.

Was das Geheimnis der Q-Speed-Technologie ist, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Bild 4: Die p-dotierten Zapfen der Q-Speed-Diode bewirken ein schnelleres Öffnen und hohe Stromdichten. Hy-Line Power

Schottky- und p-n-Übergang kombiniert

Das eigentliche Geheimnis der Q-Speed-Technologie liegt in der internen Halbleiterstruktur der Dioden. Hergestellt in 0,3-µm-CMOS-Trench-Technologie besitzen sie gleichzeitig sowohl Schottky- als auch herkömmliche p-n-Übergänge. Dazu werden den nahe an der Anode platzierten Schottky-Übergängen in Richtung Kathode p-dotierte Zapfen vorgelagert (Bild 4). Die zuerst einschaltenden Schottky-Übergänge sorgen in Durchflussrichtung bei Polaritätswechsel für ein schnelleres Öffnen der Diode und eine niedrigere Durchlassspannung, während die bei anhaltendem Stromfluss ebenfalls durchschaltenden p-n-Übergänge höchste Stromdichten ermöglichen.

In Sperrrichtung wird der Reverse-Strom wiederum schneller und kontrollierter geblockt: Während reine Schottky-Dioden hier hohe Leckströme aufweisen, erzeugt die Trench-Technologie zusätzliche Bereiche geringer Ladungsdichte um die p-dotierten Zapfen herum, die sich bis zum Schottky-Übergang ausbreiten, diesen abschirmen und Ladungsträger ausräumen. Dies reduziert die Leckströme gegenüber Schottky-Modellen – diese würden bei Dioden dieser Dimensionierung einige zehn Milliampere betragen – und stabilisiert den Halbleiter. Sperrspannungen von 600 V sind in diesem Aufbau kein Problem,  während herkömmliche Schottky-Dioden selten mehr als 200 V sperren können.

Dioden für PFC und mehr

Q-Speed-Dioden besitzen die Robustheit eines klassischen 2N3055-Leistungstransistors. Deshalb lassen sie sich auf die mittlere Nennleistung des Netzteils dimensionieren und verkraften Spitzenspannungen wie auch Transienten ohne Ausfälle. Dennoch sind die Dioden so schnell, dass sich die Schaltfrequenz von mit ihnen bestückten Netzteilen von 65 auf 100 kHz erhöhen lässt, was die Verwendung kleinerer Induktivitäten ermöglicht. Hinsichtlich der Sperrschichttemperatur können es die Hybrid-Dioden bis 105 °C sogar mit SiC-Modellen aufnehmen (Bild 5).

Bild 5: Entwicklung von QRR bei steigender Sperrschichttemperatur bei SiC- (rot), Ultra-Fast- (schwarz) und Q-Speed-Dioden (blau). Hy-Line Power

Bei der Applikation sind die Dioden jedoch nicht auf PFC beschränkt. Auch in normalen Gleichrichter-Schaltungen ist ihr sanftes Schalten von Vorteil. Während Ultra-Fast-Dioden ein starkes Überschwingen erzeugen, sodass eine Dämpfung mit RC-Gliedern notwendig ist, um eine Zerstörung des Bauelements wegen Überschreitens seiner maximal zulässigen Sperrspannung zu verhindern, sind Überschwinger an Q-Speed-Dioden auch ohne Dämpfung unkritisch. Zusätzlich steigt so der Wirkungsgrad der Schaltung um mehr als zwei Prozent an.

Q-Speed-Dioden liegen in den Kosten zwar etwas höher als einfache Ultra-Fast-Modelle, die Verwendung kleinerer MOSFETs wie auch das Entfallen von Entstörelementen gleicht die Mehrkosten jedoch wieder aus. Sie erlauben außerdem die Anwendung anderer effizienterer Schaltungsprinzipien: Anstelle des heute oft anzutreffenden diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM, Discontinuous Conduction Mode), der die Verluste von Dioden mit hoher Q_RR durch weniger Umladevorgänge reduzieren will, kann der kontinuierliche Leitungsmodus (CCM, Continuous Conduction Mode) zum Einsatz kommen, der eine einfachere Regelung und geringere Schaltströme bedingt. Auf diese Art sind attraktive Designs mit hohem Wirkungsgrad und kompakten Bauteilen möglich, wie beispielsweise besonders flache Wandler für die Beleuchtung aktueller Flachdisplays.

(jwa, na)