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PI - neuen Dioden-Technologien für Netzteilentwickler

Für CCM-PFC-Aufwärtswandler und DC-DC-Wandler stehen dem Entwickler mehrere Dioden-Technologien zur Verfügung.

Trotz ihrer scheinbaren Einfachheit spielt in der Leistungselektronik vielfach die Leistungsfähigkeit der Gleichrichterdioden im Betrieb eines gesamten Systems eine entscheidende Rolle. In Systemen mit Leistungsfaktorkorrektur und Anwendungen wie z. B. Motorantrieben, DC-AC-Wechselrichtern, Brückenwandlern und DC-DC-Wandlern sind die Dioden einer großen Belastung ausgesetzt. Die Untersuchung eines Leistungselektroniksystems, dessen Temperatur im Betrieb angestiegen war, ergab, dass die Gleichrichterdioden jene Bauteile waren, die in mehr als der Hälfte der Fälle die meiste Wärme abgaben. Die Zeit, die in der Entwicklungsphase für die Auswahl der bestmöglichen Kombination der Diodenparameter für eine bestimmte Anwendung aufgewendet wird, macht sich durch einen besseren Wirkungsgrad und die Senkung der Systembetriebskosten sehr wohl bezahlt.

Das wachsende Spektrum der verfügbaren Dioden-Technologien umfasst derzeit Verbindungshalbleitermaterialien, neue Dotierungsstoffe auf Halbleitersubstraten und Lifetime-Killer-Strategien, die es den Entwicklern ermöglichen, sowohl die Kernmerkmale der Dioden als auch deren sekundäres oder parasitäres Verhalten zu nutzen, um den Wirkungsgrad der entwickelten Schaltung zu optimieren. Bei Anwendungen im Bereich der Leistungsschaltung zeigen sich im Verhalten der Gleichrichterdiode große Unterschiede zwischen den einzelnen Technologien, was den Übergang vom leitenden zum sperrenden Zustand (d. h. beimi Sperrstrom) betrifft. Anhand von zwei gängigen Anwendungen, nämlich einer leistungsfaktorbasierten Schaltung, die im Konstantstrom-Modus arbeitet (Abbildung 1) und eines DC-DC-Wandlers (Abbildung 2) lässt sich dies anschaulich darstellen:

Der Aufwärtswandler in Abbildung 1 schaltet die gleichgerichtete AC-Netzeingangsspannung so um, dass eine Hochvolt-DC-Ausgangsspannung entsteht. Mit Hilfe der PFC-Steuerschaltung wird der Schaltvorgang so eingestellt, dass sich die AC-Strom-Wellenform sehr stark der Eingangsspannungs-Wellenform nähert. Auf diese Art wird der vom Netz eingespeiste Strom mit einem Leistungsfaktor von annähernd 1 hereingeholt.

Die PFC-Steuerschaltung schaltet den Boost-Schalter (MOSFET) mit einer typischen Schaltfrequenz von 60 kHz bis 100 kHz ein und aus. Die Steuerung der Einschaltdauer basiert auf der Ausgangsspannung, dem durch die Schaltung fließenden Strom und dem Phasenwinkel der AC-Eingangsspannung. Das Abschalten des Schalters bewirkt, dass die im Induktor gespeicherte Energie als Durchlassstrom ID_FORWARD über die Diode entladen wird und den Ausgangskondensator COUT auflädt.

Üblicherweise werden Aufwärtswandler, deren Ausgangsleistung mehr als 250 W betragen soll, für den Betrieb im Konstantstrom-Modus ausgelegt. Der MOSFET-Schalter schaltet sich ein, während die Diode noch einen hohen Durchlassstrom leitet. Sobald die Sperrvorspannung in der Diode einsetzt, leitet die Diode nicht mehr und isoliert den Ausgangskondensator COUT.

Damit sich eine Diode mit pn-Übergang abschaltet, muss ausreichend Ladung von der Sperrschichtkapazität entfernt werden, so dass die Raumladungszone groß genug werden kann, um die Sperrspannung zu blockieren. Die zu entfernende Ladung wird Sperrverzögerungsladung QRR genannt. Das Entfernen der Sperrverzögerungsladung QRR benötigt eine bestimmte Zeit, genannt Sperrverzögerungszeit tRR; während dieser Zeitspanne kann ein beträchtlicher Ausräumstrom IRR über die Diode entnommen werden. Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, wie der Rückstrom den MOS-FET durchfließt und den Induktorstrom IL erhöht. Der MOS-FET muss daher so ausgelegt werden, dass er den kombinierten Spitzenstrom aufnehmen kann. Der Ausräumstrom IRR verschwendet Strom und generiert ein EMI-Rauschen, das eventuell unterdrückt werden muss.

In einem DC-DC-Wandler kommt es zu ähnlichen Problemen

In Abbildung 2 benötigen beide Ausgangsgleichrichter-Dioden ein Snubber-Glied zur Dämpfung der Schwingungen, die durch die abrupte Abschaltung der Ultrafast-Dioden entstehen. Auch dann gibt es noch Spannungsspitzen von 332V.

Bei beiden Anwendungen kann die ausgewählte Dioden-Technologie beträchtliche Auswirkungen auf Schaltströme und Spannungsspitzen haben. Beim Auswählen einer Diode und eines MOS-FET-Schalters muss der Entwickler zum Abschätzen der beteiligten Spannungsspitzen und Ströme sowohl die Amplitude des Ausräumstroms IRR als auch die Zeit tRR, während der dieser Strom fließt, berücksichtigen.

Dioden-Technologien

Dem Systementwickler stehen – kurz gesagt – fünf wesentliche Technologien für Gleichrichterdioden zur Verfügung: die Bulk-Silizium (Si) Technologien, Standarddioden, Schottky-Gleichrichterdioden, Ultrafast-Dioden und kombinierte PIN-Schottky-Dioden. Die kombinierten PIN-Schottky-Dioden, auch bekannt als Dioden der Qspeed-Diodenfamilie(1), sind weiterentwickelte Si-Technologie-Dioden, die von Power Integrations Inc. (PI) hergestellt werden. Konventionelle Schottky-Dioden haben je nach dem Material, aus dem der Schottky-Kontakt gefertigt wird, einen unterschiedlichen Leistungsgrad. Silizium-Karbid (SiC)-Schottky-Dioden sind in den letzten Jahren immer häufiger in Verwendung, insbesondere bei Anwendungen mit höheren Spannungen.

Standarddioden mit pn-Übergang haben zwar eine hohe Spannungsfestigkeit und einen niedrigen Durchlassspannungsabfall (VF), sollten aber wegen ihrer langen Sperrverzögerungszeit tRR ab sofort nicht mehr berücksichtigt werden. Schottky-Dioden verhalten sich eher wie ideale Schalter als Standarddioden mit pn-Übergang. Mit einem geringen Durchlassspannungsabfall (VF) und einer kurzen Sperrverzögerungszeit (tRR) bilden die Schottky-Dioden die ideale Wahl. Aus technischen Gründen können Si-Schottky-Dioden leider nur bei Anwendungen im Niedervoltbereich eingesetzt werden.

Bei Ultrafast-Si-Dioden wird der pn-Übergang mit Platin dotiert. Im Vergleich zu Si-Schottky-Dioden sind die VF und trr –Werte geringer, was sich auf den Wirkungsgrad des Bauteils auswirkt. Positiv ist, dass Ultrafast-Si-Dioden mit bis zu 1000V Durchbruchspannung VBR  zur Verfügung stehen. Negativ zu vermerken ist, dass die Platin-Dotierung der Ultrafast-Si-Diode durch ein sprungartiges Abschalten einen Ausräumstrom (IRR) mit hohen Überschwingern bewirkt. Dadurch entstehen hohe Stromspitzen durch den MOSFET-Schalter (Abbildung 1) und hohes EMI-Rauschen, die beide gedämpft werden müssen.

Qspeed (kombinierte PIN-Schottky)-Dioden weisen eine Hybrid-Bauweise auf, die die Merkmale der normalen pn- und der Schottky-Dioden vereint. Der Durchlassspannungsabfall VF ist ähnlich jenem von Ultrafast-Dioden. Die Sperrverzögerungszeit (tRR) ist so kurz wie bei Schottky-Dioden und die maximale Durchbruchspannung VBR liegt bei 600 V. Aufgrund dieser Merkmale kommen die Qspeed-Dioden in 230 VAC-Anwendungen mit einem höheren Wirkungsgrad als demjenigen von Ultrafast-Dioden zum Einsatz. Weitere Hauptvorteile der Qspeed-Dioden sind, dass sie weder die hohen Überschwinger des Ausräumstroms IRR noch das sprungartige Abschalten der Ultrafast-Dioden aufweisen.

Im oberen Bereich der Spannungsfestigkeit liegen die SiC-(Siliziumkarbid)-Schottky-Dioden. Diese Dioden sind schnell und weisen genauso wie Qspeed-Dioden einen geringen Rückstrom auf. Zusammen mit SiC-Transitoren kann die Siliziumkarbid-Technologie für die Herstellung von hocheffizienten Leistungswandlern bei Anwendungen wie z. B. Photovoltaik-Wechselrichtern verwendet werden. Allerdings ist ein gewisser Preis dafür zu bezahlen. Durch die Herstellungskosten von Siliziumkarbid sind die SiC-Dioden im Vergleich zu ähnlichen Siliziumprodukten empfindlich teurer.

Ausräumzeit oder Rückwärtserholung (Reverse Recovery)

Die rote Linie ist die Kennlinie einer schnellen Standarddiode. Die Kurvenfläche, die den negativen Phasenteil des Stroms überspannt, entspricht der Sperrverzögerungs- oder Umkehr-Erholungsladung QRR. Bei jedem Abschalten der Diode geht diese Energie verloren. Will man ein hocheffizientes Design erreichen, muss die Sperrverzögerungsladung QRR so gering wie möglich sein. Die violette Kennlinie steht für eine Ultrafast-Diode mit Platin-Dotierung. QRR ist eindeutig wesentlich geringer, jedoch sind die Rückwärtsstromspitzen immer noch hoch und das Abschalten ist sehr sprunghaft. Durch das sprunghafte Abschalten entstehen Schwingungen und dadurch EMI-Rauschen. Die grüne Kennlinie steht für eine Qspeed-Diode. In diesem Fall beträgt der Spitzenstrom nur mehr die Hälfte desjenigen der Ultrafast-Diode, und es gibt keine Schwingungen.

Sowohl bei den PFC- als auch den DC-DC-Wandlern bedeutet die weiche Abschaltcharakteristik eine Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads.

Bei der in Abbildung 4 dargestellten PFC-Anwendung konnte durch den Einsatz einer 600V Qspeed-Diode die Größe des MOS-FET von 21 A auf 12 A verringert werden, wodurch eine Reduktion der MOS-FET-Temperatur von 10°C erzielt wurde. Durch die geringere Wärmeabgabe konnte eine 2,5%-ige Effizienzsteigerung erzielt werden.

Temperaturbeständigkeit

In pn-Übergang-basierten Leistungsdioden verändern sich die Werte QRR, IRR und tRR mit der Temperatur des Übergangs. Mit steigender Temperatur des Übergangs reduziert der thermische Störeinfluss eine geringe Ladungsträger-Rekombination(2). Daher nehmen die Werte QRR, IRR und tRR mit dem Anstieg der Übergangs-Temperatur zu. Abbildung 5 zeigt die Abhängigkeit von QRR von der Übergangs-Temperatur bei denselben drei Dioden aus Abbildung 3. Qspeed-Dioden können so ausgelegt werden, dass sie einen niedrigen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der jeweilige QRR- , IRR- und tRR –Wert dieser Dioden wird im normalen Übergangs-Temperaturbereich kaum merklich steigen. 

Die Stabilität der Werte QRR, IRR und tRR im Temperaturbereich machen es dem Entwickler leicht, den in den technischen Daten genannten Wirkungsgrad des Netzteils und die EMI-Störungen auch unter widrigen Betriebsbedingungen einzuhalten und somit die Gefahr der thermischen Instabilität zu bannen.

Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Ausgangsgleichrichtung

Im Beispiel des DC-DC-Wandlers (Abbildung 2) bewirkt die Verwendung von 300V Qspeed-Dioden, dass keine Snubber mehr benötigt werden und ein um 2,2% höherer Wirkungsgrad erzielt wird.

In Abbildung 6 wurden 300V Qspeed-Dioden anstelle von Ultrafast-Dioden verwendet, und die Dämpfer (Snubber) wurden entfernt. Abgesehen davon wurden keine weiteren Änderungen an der Schaltung vorgenommen. Ohne Snubber konnte die Überspannung bei Überschwingungen noch von 332V auf 289V verringert werden.

Ein weiterer Vorteil der Qspeed-Dioden, den die Entwickler nutzen können, ist ihre niedrige Sperrverzögerungsladung QRR. Aufgrund der geringeren Schaltverluste kann eine mit höheren Schaltfrequenzen arbeitende Schaltung entworfen werden. Bei doppelter Schaltfrequenz kann die für Drossel und Transformator benötigte Induktivität annähernd halbiert werden. Auf diese Weise lassen sich signifikante Einsparungen erzielen, was Platz und Kosten für magnetische Teile betrifft.

Auswahl des Diodentyps

Diese Analyse zeigt, dass die Auswahl der richtigen Diode für Anwendungen im Bereich Leistungsschaltung keine leichte Aufgabe ist. Für Niedervolt-Anwendungen sind Si-Schottky-Dioden die erste Wahl. Bei höheren Spannungen im Bereich 1000 - 1200V bietet die Siliziumkarbid-Technologie signifikante technische Vorteile, die eventuell die höheren Kosten wettmachen könnten.

Bei 600V spielen Schaltfrequenz und –strom bei der Auswahl eine führende Rolle. Bei Schaltfrequenzen bis zu 100KHz, wo ein niedriger Durchlassspannungsabfall VF und höhere thermische Leistungsfähigkeit gefordert sind, sind SiC-Dioden die bessere Wahl. Auch bei Anwendungen mit sehr hoher Stromstärke  (>30A) wird die SiC-Diode aufgrund ihrer thermischen Festigkeit empfohlen. Bei Anwendungen mit Schaltfrequenzen bis zu 100kHz oder und Nennstrom bis zu 20A bieten Qspeed-Dioden aufgrund ihrer niedrigeren Schaltverluste einen gewissen Vorteil hinsichtlich des Wirkungsgrads.

Bei Gleichrichtungsanwendungen mit 600V- und 300V-Ausgang können sich im Vergleich zur Si-Ultrafast-Diode Umstände ergeben, die eine niedrige VF erfordern; in diesem Fall kann die Ultrafast-Diode die richtige Wahl bedeuten. Dennoch weisen die weiche Rückstrom-Kennlinie, der niedrige QRR-Wert und die niedrige Stromspitze IRR von Qspeed auf geringere Schaltverluste, niedrigere EMI-Störungen und niedrigere Spitzensperrspannungen in der Diode hin, womit Qspeed der eindeutige Gewinner ist.

Referenzen
1. Qspeed Family of Advanced Diodes. Power Integrations Inc. www.powerint.com
2. Application Note AN-301. Qspeed™ Family Reverse Recovery Charge, Current and Time. Januar 2011. Power Integrations Inc. www.powerint.com

PI-A164: Mit den neuen Dioden-Technologien können Netzteilentwickler die optimale Topologie auswählen und von Leistungsverbesserungen profitieren.

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Abbildung 1: Vereinfachter Schaltplan eines Aufwärtswandlers, der zur Korrektur des Leistungsfaktors eingesetzt wird
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Abbildung 2: DC-DC-Wandler als Ausgangsgleichrichter
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Abbildung 3: Wellenformen des Ausräumstroms IRR einiger häufig verwendeter Aufwärtswandlerdioden mit pn-Übergang
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Abbildung 4: MOSFET geringerer Baugröße in einem Aufwärtswandler
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Abbildung 5: Sperrverzögerungsladung QRR in Abhängigkeit von der Übergangs-Temperatur
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Rot = Schnelle Standarddiode

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