Erste Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid

“Schotten-Dioden”

Infineon Technologies ist der weltweit erste Hersteller der Schottky-Dioden auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) liefert. Die Dioden ermöglichen kompakte Schaltnetzteile mit geringen Schaltverlusten und helfen zudem, die Systemkosten zu senken.

Gegenüber den herkömmlichen Leistungsdioden in Silizium- oder Gallium-Arsenid-Technologie ermöglichen die SiC-Schottky-Dioden deutlich geringere Schaltverluste und höhere Schaltfrequenzen. Damit lassen sich beispielsweise für PCs, Server und Mobilfunk-Basisstationen schnell schaltende und kompakte Schaltnetzteile mit hoher Zuverlässigkeit realisieren, die ohne Kühlkörper und Lüfter auskommen. Infineons neue SiC-Schottky-Dioden ermöglichen die Senkung der Systemkosten für die Hersteller solcher Schaltnetzteile. Bei der Verwendung der Dioden verringern sich die Schaltverluste der wesentlichen Komponenten. Aufgrund der möglichen erhöhten Schaltfrequenzen der Dioden können kleinere und preiswertere passive Bauelemente, wie beispielsweise Spulen und Kondensatoren, eingesetzt werden. Die geringeren Rückströme der Dioden ermöglichen auch den Einsatz von kleineren und preiswerteren Transistoren. Damit lassen sich Schaltnetzteil-Designs realisieren, die sich durch eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit und hohe Leistungsdichten auszeichnen.
Siliziumkarbid ist aufgrund seiner Materialeigenschaften, wie einer höheren Schottky-Barriere, einer um den Faktor zehn höheren Durchbruchfeldstärke und einer mit Kupfer vergleichbaren thermischen Leitfähigkeit das ideale Material für hochsperrende Leistungsbauelemente. Diese guten Materialeigenschaften kommen in geringen Leckströmen, geringem On-Widerstand und hohen Stromdichten zum Tragen. Während Schottky-Dioden aus Silizium bei rund 200 Volt und aus Gallium-Arsenid bei etwa 250 Volt an ihre Grenzen stoßen, können mit Siliziumkarbid Sperrspannungen von rund 300 bis zu 3.500 Volt realisiert werden. Dadurch eröffnen sich mit den neuen SiC-Schottky-Dioden erweiterte Systemoptionen mit neuen Topologien und höheren Spannungen in der Schaltnetzteilanwendung und dem stark wachsenden PFC-Markt (Power Factor Correction).
Die SiC-Schottky-Dioden von Infineon sind mit 600 Volt (4 und 6 A) sowie 300 V (10 A und 2 x 10 A) im kompakten TO220- und im TO263-Gehäuse für die SMT-Bestückung erhältlich.
SiC-Schottky-Dioden in PFC-Anwendungen
Bei allen Lösungen zur aktiven Leistungsfaktorkorrektur gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten der Realisierung: mit nichtkontinuierlichem Stromfluss (“Discontinous Current Mode”, DCM) oder mit kontinuierlichem Stromfluss (“Continuous Current Mode”, CCM). Die CCM-Lösung benötigt zwar eine äußerst schnelle Diode, bietet jedoch viele Vorteile: Die maximal auftretenden Ströme sind kleiner als im DCM-Fall, so dass die aktiven Systemkomponenten kleiner dimensioniert werden können. Außerdem kann ein einfacherer EMV-Filter verwendet werden und das System ist auch bei geringer Last stabil. Bei Verwendung einer konventionellen oder ultraschnellen Silizium-Diode ist diese Methode durch die Leistungsverluste aufgrund der “Reverse Recovery” dieser Dioden limitiert. SiC-Schottky-Dioden sind hingegen ideal für die CCM-Methode der Leistungsfaktorkorrektur geeignet, da sie keinen “Reverse Recovery” haben. Dieser Rückstrom der Diode fließt zwangsläufig durch den Schalter, der sich ebenfalls im PFC-Kreis befindet. Ohne Rückstrom kann ein kleinerer und kostengünstigerer MOSFET verwendet werden, die Schaltung wird entlastet und damit die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht.
In PFC-Applikationen werden die Schaltverluste ganz wesentlich vom Rückstrom bestimmt, der durch die Diode bedingt ist. Dieser Effekt beschränkte bisher die maximale Schaltfrequenz auf weniger als 100 kHz. Mit den neuen SiC-Schottky-Dioden sind nun Frequenzen von mehr als 500 kHz möglich. Je höher die mögliche Schaltfrequenz, desto mehr verringern sich Anzahl und Größe der passiven Komponenten, wie Spulen und Kondensatoren, und damit die Kosten des Gesamtsystems.

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