Ein höherer Wirkungsgrad und maximale Energieeffizienz sind für Entwickler fast aller Arten elektrischer und elektronischer Systeme zu einem Hauptanliegen geworden. Eine höhere Energieeffizienz verbessert nicht nur die Energiebewertung, sondern ermöglicht auch ein vereinfachtes Wärmemanagement, verringert die Baugröße und das Gewicht und sorgt für eine längere Batterielaufzeit.

Schwerpunkt auf Fahrzeugbeleuchtung

Eckdaten

Mehrere Generationen von Leistungshalbleitern auf Basis bestehender Technologien kamen schrittweise mit einem höheren Wirkungsgrad auf den Markt. Mit dem Super-Barrier-Gleichrichter (SBR; Super Barrier Rectifier) gibt es nun einen Baustein, der durch proprietäre Technik einen Sprung bei der Leistungsfähigkeit und Effizienz von Netzteilen ermöglicht. Er lässt sich genauso wie eine Standard-Schottky-Diode einsetzen und bietet erhebliche Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen wie etwa die Fahrzeugbeleuchtung.

In Fahrzeugen sowie auch generell im Automotive-Bereich findet derzeit eine groß angelegte Verlagerung hin zu LED-basierten Außenleuchten statt. Nicht zuletzt, weil sich dadurch der Stromverbrauch verringern lässt. Mit dem gestiegenen Bewusstsein für mehr Energieeffizienz zeigen sich die Eigenschaften von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und der sich daraus ergebende Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung und Kraftstoffverbrauch immer deutlicher.

Um die Attraktivität des Marktes weiter zu steigern, ist die Branche ständig bemüht, die Effizienz von LED-Beleuchtungen und insbesondere von Tagfahrleuchten (DRL; Daytime Running Lights) weiter zu verbessern. Da diese während der Fahrt ständig eingeschaltet bleiben, bestimmen sie auch das Erscheinungsbild bestimmter Modelle und Marken. Eine Möglichkeit zur Verbesserung LED-basierter DRLs besteht darin, den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung im LED-Treiber-/Controller-Schaltkreis zu verbessern.

In Fahrzeugen kommt dafür eine Buck-Boost-Topologie zum Einsatz, um eine DC/DC-Wandlung für verschiedene Anwendungen bereitzustellen wie etwa die für den LED-Strang erforderliche Steuerspannung. Bild 1 beschreibt eine vereinfachte Schaltung mit dem Buck-Boost-LED-Treiber/Controller ZXLD1371 von Diodes. Es handelt sich um eine generische Schaltung, die normalerweise einen Schalt-MOSFET (Q1) und eine Freilaufdiode (D1) enthält.

Da es sich um einen Boost-/Aufwärtswandler handelt, ist der Spitzenstrom im MOSFET und der Freilaufdiode viel größer als der durchschnittliche LED-Strom. Daher können die Leitungs- und Schaltverluste dieser beiden Bauteile einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtstromverbrauch des Wandlers haben.

Blockschaltbild eines Buck-Boost-LED-Treibers

Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild eines Buck-Boost-LED-Treibers für das Tagfahrlicht in Fahrzeugen (DRL). Diodes

Hierfür wählten Entwickler in der Vergangenheit Schottky-Dioden aufgrund ihres geringeren Durchlassspannungsabfalls (UF) und ihrer schnelleren Schaltfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gleichrichterdioden. Der Sperrstrom ist jedoch relativ hoch und steigt mit der Temperatur. Während sich der Super-Barrier-Gleichrichter (SBR) wie eine Schottky-Diode verhält, bietet er in Schaltwandlern einen höheren Wirkungsgrad. Obwohl seine Durchlassspannung und die Sperrverzögerungszeit aufgrund seines Aufbaus vergleichbar zur Schottky-Diode sind, ist der Leckstrom viel niedriger und stabiler bei Temperaturerhöhungen. Die Lawinenfähigkeit ist ebenfalls erheblich höher, was zu einer größeren Robustheit führt. Tabelle 1 vergleicht die wichtigsten Parameter, die das Freilaufverhalten für einen SBR und eine Schottky-Diode mit ähnlichen Werten für die Sperrspannung und den Sperrstrom bestimmen.

Super-Barrier-Gleichrichter im Detail

Die SBR-Technologie von Diodes basiert auf einem MOS-Halbleiterfertigungsprozess (Metal Oxide Semiconductor), wobei der vorhandene MOS-Kanal eine Schwelle mit niedrigem Potential für Majoritätsträger bildet, was zu einer Durchlassvorspannung führt – wie bei einer Schottky-Diode bei niedrigen Spannungen. Der Leckstrom ist jedoch aufgrund überlappender p-n-Verarmungsschichten und der fehlenden Potentialschwelle viel geringer. Der SBR hat dasselbe elektronische Schaltplansymbol wie die Schottky-Diode. In der Praxis ähnelt die interne Struktur einem MOSFET, wobei die Gate- und Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind und den SBR-Anodenanschluss bilden. Der MOSFET-Drain fungiert als SBR-Kathode.

Diagramm zeigt Vergleich des Wirkungsgrads

Bild 2: Vergleich des Wirkungsgrads bei 25 °C Umgebungstemperatur. Diodes

Diagramm zeigt Vergleich des Wirkungsgrads

Bild 3: Vergleich des Wirkungsgrads bei 85 °C Umgebungstemperatur Diodes

Ein SBR bietet nicht nur einen geringen Leckstrom bei überlegener Temperaturstabilität und Lawinenfestigkeit, sondern verhält sich auch in jedem Stromkreis wie eine Diode und ist daher ein 1:1-Ersatz für vergleichbare Schottky-Dioden. Ohne dass eine Leiterplatte neu entworfen oder zusätzliche Komponenten hinzugefügt werden müssen, sorgt der SBR sofort für einen höheren Wirkungsgrad und eine geringere Gehäusetemperatur garantiert ein vereinfachtes Wärmemanagement und eine höhere Zuverlässigkeit.

Höherer Wirkungsgrad, kühlerer Betrieb

Tabelle 1 vergleicht den SBR und die Schottky-Diode in identischen Buck-Boost-DRL-Netzteilen, die ein ZXLD1371 steuert (Bild 1). Der SBR bietet einen höheren Wirkungsgrad, der bei höheren Umgebungstemperaturen zunimmt, bei denen sich der Wirkungsgrad der Schottky-Schaltung um bis zu 6 Prozent verringert (Bild 2 und 3).

Die Darstellung des Wirkungsgrads beider Schaltungen über der Umgebungstemperatur (Bild 4) zeigt, dass der Wirkungsgrad mit der Temperatur abnimmt. Dies ist auf die ansteigende Durchlassspannung UF, den Leckstrom, Schaltverluste und den Gesamtverlust des Systems zurückzuführen. Minimiert wird dieser Wirkungsgradverlust durch die bessere Temperaturstabilität des SBR im Vergleich zur Schottky-Diodenschaltung. Weiterhin bietet der höhere Wirkungsgrad des SBR einen doppelten Nutzen, der sowohl Energie spart als auch zu einer niedrigeren Betriebstemperatur des Bausteins führt. Bild 5 beschreibt, wie die SBR-Gehäusetemperatur über den gesamten Umgebungstemperaturbereich konstant um 5 °C niedriger ist als die der Schottky-Diode. Diese niedrigere Temperatur gibt DRL-Entwicklern mehr Freiheiten bei der Größe und den Kosten des Kühlkörpers – und das bei gleichzeitiger Einhaltung der geforderten Systemzuverlässigkeit.

Direkter Ersatz von 10 V auf 300 V

Diodes optimierte die SBRs der Q-Serie speziell für Automotive-Anwendungen. Dabei minimiert die niedrige Durchlassspannung UF den Temperaturanstieg, was nach Angaben des Unternehmens die Zuverlässigkeit gewährleisten soll. Neben ihrem hohen Wirkungsgrad und der kühleren Oberflächentemperatur unterstützen SBRs hohe Stoßstromwerte, um Gefahren wie unvorhersehbaren Stromfluss und Blitzeinschlag standzuhalten.

Fazit

SBR-Wirkungsgrads bei hohen Umgebungstemperaturen

Bild 4: Der Vorteil des SBR-Wirkungsgrads ist bei höheren Umgebungstemperaturen sogar noch größer. Diodes

Graph zeigt Auswirkungen einer niedrigen SBR-Gehäusetemperatur.

Bild 5: Die niedrigere SBR-Gehäusetemperatur erleichtert das Wärmemanagement und erhöht die Zuverlässigkeit. Diodes

In der heutigen energiebewussten und auf Effizienz ausgerichteten Welt leistet der SBR einen wertvollen Beitrag für eine effizientere Leistungsumwandlung. Mit reduziertem Leckstrom, verbesserter Schaltleistung, vergleichbarer oder niedrigerer UF und hoherTemperaturstabilität bietet er einen hohen Wirkungsgrad ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand, um für zahlreiche Anwendungen eine schnelle Markteinführung zu erzielen. Mit dem zusätzlichen Vorteil kühlerer Betriebstemperaturen können Leistungswandler für Systeme, die LED-Beleuchtung in Fahrzeugen, Consumer-Netzteile und erneuerbare Energien abdecken, eine hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit liefern und gleichzeitig die neuesten Ökodesign-Ziele und Sicherheitsstandards erfüllen.