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Q-Speed-Dioden sind ein Hybrid aus PIN- und Schottky-Diode und bieten eine kostengünstige Alternative zu SiC-Bauelementen für die Optimierung von Schaltnetzteilen. Sie sind sowohl als Ausgangsgleichrichter wie auch in der PFC-Schaltung sehr effizient, können den Wirkungsgrad erhöhen, die Belastung der Schalthalbleiter senken und die elektromagnetische Verträglichkeit aufgrund schnellen, aber nicht harten Abschaltens verbessern. Der Beitrag gibt einen detaillierten Überblick über die Vorteile der Hybrid-Dioden gegenüber Ultra-Fast-Modellen und hilft dem Entwickler bei der richtigen Dimensionierung seiner Anwendung.

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.

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 QRR 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 QRR nicht optimal. Zudem ist ihre Durchlassspannung höher und damit steigen auch die Verluste im eingeschalteten Zustand.

 

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