Bild 4: Die in Richtung Kathode p-dotierte Zapfen der Qspeed-Diode bewirken ein schnelleres Öffnen und hohe Stromdichten.

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 an SiC- (rot), Ultrafast- (schwarz) und Qspeed-Diode (blau): Bis 105°C ist die Qspeed-Diode sogar SiC überlegen.

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 QRR 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.

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