Wie MPS-SiC-Dioden Verluste in Hochfrequenz-Schaltnetzteilen verringern

Bei herkömmlichen Siliziumdioden im CCM-Modus resultieren Schaltverluste aus dem Rückstrom der Diode, der durch die gespeicherte Ladung im Diodenübergang beim Ausschalten entsteht. Die Minimierung dieser Verluste erfordert im Allgemeinen eine Si-Diode mit einem höheren durchschnittlichen Durchlassstrom, was zu einer größeren Baugröße und höheren Kosten führt.

Eine Diode aus Siliziumkarbid (SiC) ist in einer CCM-PFC-Schaltung die bessere Wahl, da ihr Rückstrom nur kapazitiv ist. Eine geringere Minoritätsträgerinjektion in einem SiC-Bauelement bedeutet, dass der Schaltverlust einer SiC-Diode nahe Null liegt. Darüber hinaus senken MPS-SiC-Dioden (MPS: Merged PIN Schottky) den Durchlassspannungsabfall des Bauelements, ähnlich wie eine herkömmliche SiC-Schottky-Diode. Dadurch werden Leitungsverluste weiter minimiert.

Dieser Artikel befasst sich kurz mit der Herausforderung des verlustarmen Schaltens in CCM-PFC-Schaltungen. Anschließend wird ein MPS-Beispielbauteil von Vishay General Semiconductor - Diodes Division vorgestellt und gezeigt, wie es zur Minimierung von Verlusten eingesetzt werden kann.

AC/DC-Schaltnetzteile mit einer Nennleistung von über 300 Watt verwenden in der Regel PFC, um internationale Normen wie IEC61000-4-3 zu erfüllen, in denen Blindleistung und Netzoberschwingungspegel festgelegt sind. Die in einem PFC-Netzteil verwendeten Dioden, insbesondere in Schaltnetzteilen, die mit hoher Frequenz arbeiten, müssen die Nennleistung des Netzteils und die damit verbundenen Verluste, die mit den Leitungs- und Schaltvorgängen des Stromkreises verbunden sind, bewältigen können. Si-Bauelemente haben spürbare Rückstromverluste. Wenn eine Si-Diode von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand wechselt, bleibt sie leitend, während Ladungsträger aus dem Übergang entfernt werden. Dies führt zu einem beträchtlichen Stromfluss für die Dauer der Sperrverzögerungszeit der Diode, die zum Ausschaltverlust der Si-Diode wird.

Die Sperrverzögerung von SiC-Schottky-Dioden ist auf die kapazitive Entladung beschränkt, die schneller erfolgt, so dass Abschaltverluste effektiv vermieden werden. SiC-Dioden haben einen höheren Durchlassspannungsabfall, der zu Leitungsverlusten beitragen kann, aber der Abfall kann kontrolliert werden. SiC-Dioden haben außerdem den Vorteil, dass sie einen höheren Temperaturbereich und ein schnelleres Schalten zulassen. Der höhere Temperaturbereich ermöglicht eine größere Leistungsdichte und damit kleinere Gehäuse. Das schnellere Schalten ist auf die Schottky-Struktur und die kürzere Umkehrerholungszeit des SiC zurückzuführen. Der Betrieb mit höheren Schaltfrequenzen führt zu kleineren Induktions- und Kondensatorwerten und damit zu einer Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads in der Versorgung.

Die SiC-MPS-Diode vereint die nützlichen Eigenschaften von Schottky- und PIN-Dioden. Die Struktur führt zu einer Diode mit schnellem Schaltverhalten, niedrigem Spannungsabfall im Durchlassbetrieb, geringem Leckstrom im Sperrzustand und guten Hochtemperatureigenschaften.

Eine Diode mit einem reinen Schottky-Übergang bietet die niedrigstmögliche Durchlassspannung, ist aber bei hohen Strömen, wie den Stoßströmen in einigen PFC-Anwendungen, problematisch. MPS-Dioden verbessern die Stoßstromleistung durch Implantation von P-dotierten Bereichen unterhalb der Metall-Drift-Zone der Schottky-Struktur (Bild 1). Dadurch entsteht ein P-Ohm-Kontakt mit dem Metall an der Anode der Schottky-Diode und ein P-N-Übergang mit der leicht dotierten SiC-Drift- oder Epi-Schicht.

Unter normalen Bedingungen leitet die Schottky-Struktur der MPS-Diode fast den gesamten Strom, und die Diode verhält sich wie eine Schottky-Diode, mit den entsprechenden Schalteigenschaften.

Im Falle eines hohen transienten Stoßstroms steigt die Spannung an der MPS-Diode über die Schwellenspannung der eingebauten P-N-Diode, die zu leiten beginnt und den lokalen Widerstand senkt. Dadurch wird der Strom durch die P-N-Übergangsbereiche umgeleitet, was die Verlustleistung begrenzt und die thermische Belastung der MPS-Diode verringert. Diese Erhöhung der Leitfähigkeit der Driftzone bei einem hohen Strom hält die Durchlassspannung auf einem niedrigen Wert.

Die Stoßstromleistung von SiC-Bauelementen ergibt sich aus der unipolaren Natur des Bauelements und seinem relativ hohen Driftschichtwiderstand. Die MPS-Struktur verbessert auch diesen Leistungsparameter, und die geometrische Anordnung, Größe und Dotierungskonzentration des P-dotierten Bereichs beeinflussen die endgültigen Eigenschaften. Der Durchlassspannungsabfall ist ein Kompromiss zwischen den Nennwerten für den Leckstrom und den Stoßstrom.

Unter Sperrvorspannung zwingen die P-dotierten Bereiche den gesamten Bereich maximaler Feldstärke nach unten und weg von der Metallbarriere mit ihren Fehlstellen in die nahezu defektfreie Driftschicht, wodurch der Gesamtleckstrom verringert wird. Dadurch kann ein MPS-Bauelement bei gleichem Leckstrom und gleicher Driftschichtdicke mit einer höheren Durchbruchspannung arbeiten.

Die MPS-Struktur von Vishay nutzt die Dünnschichttechnologie, bei der die Rückseite der Diodenstruktur durch Laser-Glühen ausgedünnt wird, wodurch der Durchlassspannungsabfall im Vergleich zu früheren Lösungen um 0,3 Volt reduziert wird. Darüber hinaus sind die Durchlassspannungsabfälle der Dioden nahezu temperaturunabhängig (Bild 2).

Dieses Diagramm zeigt die Durchlassspannung beider Diodentypen als Funktion des Durchlassstroms mit der Temperatur als Parameter. Die Durchlassspannungsabfälle bei den reinen Schottky-Dioden nehmen bei Strömen über 45 Ampere (A) exponentiell zu. Die MPS-Diode hat einen gleichmäßigeren Durchlassspannungsabfall bei steigendem Durchlassstrom. Man beachte, dass die Durchlassspannung mit steigender Temperatur bei höheren Durchlassströmen in der MPS-Diode abnimmt.

Beispiele für MPS-Dioden

Die fortschrittlichen SiC-MPS-Dioden von Vishay sind für Spitzensperrspannungen von 1200 V mit Durchlassströmen von 5 bis 40 A ausgelegt. Die VS-3C05ET12T-M3 (Bild 3) ist beispielsweise eine durchkontaktierbare Diode in einem TO-220-2-Gehäuse und ist für einen Durchlassstrom von 5 A ausgelegt, mit einer Durchlassspannung von 1,5 Volt bei vollem Nennstrom. Der Leckstrom in Sperrrichtung der Diode beträgt 30 Mikroampere (mA), und sie ist für eine maximale Sperrschichttemperatur von +175°C ausgelegt.

Diese Diodenfamilie ist die beste Wahl für Hochgeschwindigkeits- und hart schaltende Anwendungen und bietet einen effizienten Betrieb über einen breiten Temperaturbereich.

Anwendungen für MPS-SiC-Dioden

MPS-Dioden werden in einer Vielzahl von Schaltkreisen eingesetzt, z. B. in DC/DC-Wandlern, einschließlich solcher mit phasenverschiebenden Vollbrücken- (FBPS) und Spulen-Spulen-Kondensator-Topologien (LLC), wie sie in Photovoltaik-Anwendungen üblich sind. Eine weitere häufige Anwendung sind AC/DC-Netzteile, die PFC-Schaltungen verwenden.

Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirk- zu Scheinleistung und gibt an, wie effizient die eingehende Energie in elektrischen Geräten genutzt wird. Ein Leistungsfaktor von eins ist ideal. Ein niedrigerer Leistungsfaktor bedeutet, dass die Scheinleistung größer ist als die Wirkleistung, was zu einem Anstieg des Stroms führt, der zum Antrieb einer bestimmten Last erforderlich ist. Hohe Spitzenströme bei Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor können ebenfalls Oberschwingungen auf dem Stromnetz verursachen. Die Stromversorger geben in der Regel den zulässigen Bereich für den Leistungsfaktor des Nutzers an. AC/DC-Netzteile können mit PFC ausgelegt werden (Bild 4).

In Bild 4 wandelt der Brückengleichrichter B1 den Eingangswechselstrom in Gleichstrom um. MOSFET Q1 ist ein elektronischer Schalter, der von einem PFC-IC (nicht abgebildet) ein- und ausgeschaltet wird. Wenn der MOSFET „eingeschaltet“ ist, steigt der Strom durch die Induktivität linear an. An diesem Punkt wird die SiC-Diode durch die Spannung am Ausgangskondensator (C_OUT) in Sperrichtung vorgespannt, und das geringe Sperrleck der SiC-Diode minimiert den Leckverlust. Wenn der MOSFET „ausgeschaltet“ ist, liefert die Induktivität über die in Durchlassrichtung vorgespannte Ausgangsgleichrichterdiode einen linear abnehmenden Strom an C_OUT.

In einer CCM-PFC-Schaltung sinkt der Induktionsstrom nicht während des gesamten Schaltzyklus auf Null. CCM-PFCs werden häufig in Netzteilen eingesetzt, die mehrere hundert Watt oder mehr liefern. Der MOSFET-Schalter wird vom PFC-IC pulsweitenmoduliert (PWM), so dass die Eingangsimpedanz des Stromversorgungskreises rein ohmsch erscheint (Leistungsfaktor 1) und das Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsstrom, der Scheitelfaktor, niedrig gehalten wird (Bild 5).

Im Gegensatz zu den diskontinuierlichen und kritischen Strombetriebsarten, bei denen der Induktionsstrom Null erreicht und die Diode in einen unbelasteten Zustand schaltet, fällt der Induktionsstrom in einer CCM-Schaltung nie auf Null, so dass beim Zustandswechsel des Schalters ein Induktionsstrom ungleich Null vorhanden ist. Wenn die Diode in den Sperrzustand schaltet, trägt die Sperrverzögerung erheblich zu den Verlusten bei. Die Verwendung einer MPS-SiC-Diode eliminiert diese Verluste. Die Verringerung der Schaltverluste durch den Einsatz der MPS-SiC-Diode hat den Vorteil, dass die Chipgröße und die Kosten sowohl für die Diode als auch für den aktiven Schalter reduziert werden.

Fazit

Im Vergleich zu Si bieten die MPS-SiC-Schottky-Dioden von Vishay höhere Durchlassströme, niedrigere Durchlassspannungsabfälle und geringere Sperrverzögerung, und das alles in einem kleineren Gehäuse, das höheren Temperaturen standhält. Sie eignen sich daher gut für den Einsatz in Schaltnetzteilen. (na)