Stromversorgung Dioden im Vergleich

Wo entsteht in einer Stromversorgung meist die größte Wärme und wird damit oft die meiste Energie »verbraten«? Meistens in den Gleichrichterdioden. Für Schaltregler die optimale Gleichrichterdiode auszuwählen ist allerdings keine einfache Aufgabe, es gibt mindestens sechs verschiedene Diodentechnologien, und jede hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile.

Gleichrichterdioden beeinflussen in der Leistungselektronik die Performance eines Gesamtsystems oft entscheidend, beispielsweise in PFC-Schaltungen (Power Factor Correction) und in Anwendungen wie Motorsteuerungen, Wechselrichter sowie Brücken- und DC/DC-Wandler. Untersucht man ein System dahingehend, welche Bauteile im Betrieb die meiste Wärme produzieren, sind es meistens die Gleichrichterdioden.

Die Zeit, die man in der Entwicklungsphase darauf verwendet, die für die jeweilige Anwendung optimale Kombination von Diodenparametern herauszufinden, zahlt sich später durch einen höheren Wirkungsgrad und Einsparungen bei den Systemkosten aus. Die Zahl der zur Auswahl stehenden Diodentechnologien hat in jüngerer Zeit zugenommen.

Compound-Halbleiter, neuartige Dotiermaterialien und Strategien zur Verkürzung der Ladungsträgerlebensdauer ermöglichen es Entwicklern, nicht nur die Kerncharakteristika von Dioden, sondern auch dynamische Neben- oder parasitäre Effekte in diesen Bauteilen für die Optimierung der Performance ihrer Designs zu nutzen. In Leistungsschalteranwendungen unterscheiden sich Gleichrichterdioden je nach Technologie sehr stark in ihrem Verhalten beim Übergang vom leitenden Zustand in den sperrenden Zustand, in dem nur noch ein kleiner Sperrstrom fließt. Das lässt sich an zwei typischen Anwendungen verdeutlichen: einer PFC-Schaltung, bei der die Gleichrichterdiode kontinuierlich leitet (Continuous Conduction Mode, CCM) und dem Ausgangskreis eines DC/DC-Wandlers.

Der in Bild 1 dargestellte Aufwärtswandler schaltet die gleichgerichtete Netzwechselspannung und liefert am Ausgang eine Gleichspannung, die höher als die Eingangsspannung ist. Der Schalter wird so gesteuert, dass der Eingangswechselstrom eine zur Eingangsspannung sehr ähnlich Phasenlage und Kurvenform aufweist. Daraus resultiert ein Leistungsfaktor nahe bei 1.

Die Schaltfrequenz für den Boost-Schalter (MOSFET) in einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung liegt typischerweise zwischen 60 kHz und 100 kHz. Der PFC-Regler steuert die Dauer der Einschaltzeit in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung, dem Strom durch den Schalter und dem Phasenwinkel der Eingangswechselspannung. Schaltet der MOSFET aus, entlädt sich die in der Induktivität gespeicherte Energie über die Diode (Durchlassstrom ID_FORWARD) in den Kondensator COUT und lädt diesen auf.

Aufwärtswandler mit Ausgangsleistungen von über 250 W arbeiten typischerweise im nichtlückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode). Noch während die Diode einen hohen Durchlassstrom führt, schaltet der MOSFET-Schalter ein. Dadurch kehrt sich die Polarität der Spannung über der Diode um; die Diode geht in den Sperrzustand über und isoliert den Ausgangskondensator COUT gegenüber dem MOSFET und der Induktivität.

Damit eine pn-Sperrschicht-Diode abschaltet, muss so viel Ladung von der Sperrschichtkapazität abfließen, dass die Verarmungsregion groß genug wird, um die Umkehrspannung zu blockieren. Die Mindestladungsmenge, die abfließen muss, wird als Reverse-Recovery-Ladung Qrr bezeichnet. Dies erfordert eine gewisse Zeit, die Rückwärtserholzeit trr. Währenddessen Zeit kann ein großer Umkehrstrom Irr durch die Diode fließen.

Der Umkehrstrom fließt auch durch den MOSFET (Bild 1) und addiert sich zu dem Strom durch die Induktivität IL. Der MOSFET muss daher so dimensioniert werden, dass er den kombinierten Spitzenstrom verkraftet. Der Umkehrstrom Irr vergeudet Energie und verursacht Störspannungen und Störstrahlung, die in der Regel Dämpfungsmaßnahmen erfordern. Ganz ähnlich ist die Situation bei DC/DC-Wandlern.

In Bild 2 sind die beiden Ausgangsgleichrichterdioden jeweils mit einem Snubber (einer Serienschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator) beschaltet. Die Snubber sind notwendig, um das starke Überschwingen zu reduzieren, hervorgerufen durch das abrupte Abschalten der ultraschnellen Dioden. Trotz der Snubber erreicht das Überschwingen noch eine Spitzenspannung von 332 V.

In beiden Anwendungen kann die Diodentechnologie einen großen Einfluss auf die Schaltströme und das Überschwingverhalten haben. Bei der Auswahl einer Diode und eines MOSFET-Schalters muss der Entwickler sowohl die Amplitude von Irr als auch die Zeitdauer (trr) dieses Stroms berücksichtigen und anhand dieser Größen die Spitzenströme und die involvierten Energien bestimmen.

Sechs Diodentechnologien

Ganz allgemein hat der Systementwickler die Wahl zwischen sechs Diodentechnologien:

  • Bulk-Silizium-Dioden,
  • Standarddioden,
  • Si-Schottky-Dioden,
  • ultraschnelle Siliziumdioden,
  • Merged-pin-Schottky-Dioden und
  • SiC-Schottky-Dioden.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die genannten Diodentypen und deren wichtigsten Eigenschaften. Standard-pn-Sperrschichtdioden haben zwar eine hohe Spannungsfestigkeit UBR und eine niedrige Durchlassspannung UF, disqualifizieren sich jedoch durch ihre lange Rückwärtserholzeit trr. Schottky-Dioden kommen einem idealen Schalter näher als Standard-pn-Sperrschichtdioden. Durch ihre niedrige UF und kurze trr sind diese eine ideale Lösung. Leider eignen sich Si-Schottky-Dioden aufgrund von Besonderheiten dieser Technologie nur für Anwendungen mit niedriger Spannung.

Ultraschnelle Si-Dioden sind Siliziumdioden, deren pn-Sperrschicht mit Platin dotiert ist. Die UF-und tRR-Werte solcher Bauteile reichen nicht an die von Si-Schottky-Dioden heran; das geht zu Lasten der Energieeffizienz des Designs. Andererseits haben ultraschnelle Si-Dioden den Vorteil, dass Typen mit Sperrspannungen bis 1000 V verfügbar sind.

Ein Nachteil dieser Bauteile ist, dass sie aufgrund der Platindotierung einen hohen Rückwärtserholstrom Irr und ein abruptes Abschaltverhalten aufweisen. Dadurch werden dem MOSFET-Schalter (Bild 1) hohe Spitzenströme aufgebürdet, und es entstehen starke Störspannungen und Störstrahlungen. Beides muss man in den Griff bekommen.

Merged-pin-Schottky-Dioden (positive intrinsic negative) haben eine hybride Struktur, welche die Eigenschaften von pn- und Schottky-Dioden miteinander kombiniert. Sie basieren auf hochentwickelter Siliziumtechnologie und werden beispielsweise von Power Integrations unter der Bezeichnung »Qspeed« angeboten. Die Durchlassspannung ist ähnlich wie die von ultra-schnellen Si-Dioden, die trr ist so kurz wie bei Schottky-Dioden, und die maximale Sperrspannung beträgt 600 V. Dadurch sind Qspeed-Dioden hinsichtlich der Energieeffizienz ultraschnellen Si-Dioden überlegen und eignen sich für den Betrieb an 230-V-Netzen.

Ein weiterer Vorteil von Qspeed-Dioden ist darin zu sehen, dass sie weder die hohen Irr-Spitzenwerte noch das abrupte Schaltverhalten ultraschneller Si-Dioden aufweisen. Die höchsten Sperrspannungen von allen genannten Diodentypen erreichen Schottky-Dioden aus Siliziumkarbid. Diese Dioden sind nicht nur schnell, sondern weisen auch ähnlich geringe Rückwärtserholströme auf wie Qspeed-Dioden. Mit SiC-Transistoren und SiC-Schottky-Dioden lassen sich äußerst energieeffiziente Spannungswandler für Anwendungen wie zum Beispiel Photovoltaik-Wechselrichter realisieren. Leider hat diese Technologie einen Nachteil: SiC-Dioden und -MOSFETs sind in der Herstellung - und damit auch für den Anwender - wesentlich teurer als vergleichbare Siliziumprodukte.

Abschalt- und Temperaturcharakteristika

Bild 3 zeigt das Rückwärtserholverhalten verschiedener Diodentechnologien. Die rote Kurve zeigt die Charakteristik einer schnellen 8-A-Standarddiode. Die Fläche unterhalb der Nulllinie entspricht der Reverse-Recovery-Ladung Qrr. Diese Energie wird jedes Mal vergeudet, wenn die Diode in den Sperrzustand übergeht. Für ein energieeffizientes Design muss Qrr möglichst klein sein.

Die gelbe Kurve zeigt die Charakteristik einer platindotierten ultraschnellen Diode. Qrr ist bei diesem Typ wesentlich kleiner, allerdings ist der Reverse-Spitzenstrom immer noch recht hoch und das Abschaltverhalten sehr abrupt. Durch das abrupte Abschalten entstehen Überschwinger, die Störspannung/Störstrahlung hervorrufen. Die grüne Kurve zeigt die Charakteristik einer Qspeed-Diode.

Der Reverse-Spitzenstrom ist nur halb so groß wie bei der ultraschnellen Diode, und es treten keine Überschwinger auf. Das »weiche« Abschaltverhalten dieser Diode verbessert die Performance und den Wirkungsgrad sowohl der in Bild 1 gezeigten PFC-Schaltung als auch des in Bild 2 gezeigten DC/DC-Wandlers. Bei einer PFC-Anwendung ließ sich dadurch beispielsweise eine herkömmliche Diode durch eine 600-V-Qspeed-Diode ersetzen. Dadurch war es möglich, den MOSFET für nur 12 A statt bisher 21 A Spitzenstrom zu dimensionieren und zugleich die MOSFET-Temperatur um 10 K zu verringern.

Die geringeren Wärmeverluste äußern sich in einem um 2,5% höheren Wirkungsgrad. Die blaue Linie in Bild 2 schließlich zeigt das Abschaltverhalten einer SiC-Schottky-Diode. Bei pn-Sperrschichtdioden sind die Größen Qrr, Irr und trr temperaturabhängig. Mit zunehmender Sperrschichttemperatur verlangsamt sich die Rekombination der Minoritätsladungsträger infolge thermischer Einflüsse. Dadurch steigen diese vorgenannten Kennwerte mit zunehmender Sperrschichttemperatur an.

Bild 4 zeigt die Qrr in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur für drei Dioden aus Bild 3. Qspeed-Dioden können so gebaut werden, dass sie einen kleinen, positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen.

Innerhalb des Bereichs, in dem sich die Sperrschichttemperatur während des Betriebs ändert, bleiben die Werte für Qrr, Irr und trr dieser Bauteile nahezu konstant. Dies erleichtert es dem Entwickler, auch unter Worst-Case-Bedingungen den geforderten Wirkungsgrad zu erzielen und die geforderten EMI-Grenzwerte einzuhalten, zudem verringert sich dadurch das Risiko eines thermischen Durchbruchs.

Bei dem in Bild 2 gezeigten DC/DC-Wandler werden durch den Einsatz von Qspeed-Dioden mit 300 V Sperrspannung die Snubber-Schaltungen überflüssig, und außerdem steigt der Wirkungsgrad um 2,2% (Bild 5). Auch ohne Snubber verringerte sich das Überschwingen von 332 V auf 289 V.

Höherer Wirkungsgrad

Ein weiterer Vorteil von Qspeed-Dioden ist deren geringe Qrr, welche die Schaltverluste reduziert und es ermöglicht, die Schaltfrequenz zu erhöhen. Wenn man die Schaltfrequenz verdoppelt, lässt sich die Induktivität von Drosseln und Transformatoren etwa halbieren. Dadurch kommt man mit erheblich preisgünstigeren und kleineren magnetischen Bauteilen aus.

Wie wir gesehen haben, ist es nicht ganz einfach, die für eine Schaltregleranwendung optimale Diode auszuwählen. Für Niederspannungsanwendungen sind Silizium-Schottky-Dioden ganz klar die erste Wahl. Bei Hochspannungsanwendungen im Bereich von 1000 V bis 1200 V bieten Siliziumkarbid-Dioden erhebliche technische Vorteile, welche die höheren Kosten wettmachen können.

Im Bereich um 600 V sind Schaltfrequenz und Strom die ausschlaggebenden Faktoren. Für Anwendungen mit Schaltfrequenzen unter 100 kHz, bei denen es auf möglichst kleine Durchlassspannung und erhöhte Temperaturfestigkeit ankommt, sind SiC-Dioden besser geeignet. Auch für Anwendungen, die eine sehr hohe Strombelastbarkeit (>30 A) erfordern, sind SiC-Dioden wegen ihrer hohen Temperaturfestigkeit zu bevorzugen.

Bei Anwendungen mit Schaltfrequenzen ab 100 kHz und Strömen bis 20 A verringern Qspeed-Dioden die Schaltverluste und tragen dadurch zu einem höheren Wirkungsgrad bei. In 600-V- und 300-V-Ausgangsgleichrichtern können in bestimmten Fällen, in denen es auf möglichst kleine Durchlassspannung ankommt, ultraschnelle Si-Dioden die optimale Lösung sein. In der Regel sind jedoch Qspeed-Dioden eindeutig überlegen, weil deren »weiche« Reverse-Recovery-Charakteristik, die geringere Qrr und der kleinere Irr-Spitzenstrom zu geringeren Schaltverlusten, weniger Störspannung/Störstrahlung und einer kleineren Spitzen-Reverse-Spannung über den Dioden führen.

Über den Autor:

Edward Ong ist Produktmarketing-Manager für Energiesparanwendungen bei Power Integrations.

Typ
UBR/V
UF/V bei +25 °C
tRR/ns bei +25 °C
Si-Standarddiode
50 bis 1000
1,0
1000 bis 2000
Si-Schottky-Diode15 bis 2000,3 bis 0,8<10
Ultraschnelle Si-Diode50 bis 10001,35 bis 1,7525 bis 75
Merged-PIN-Schottky-Diode300 bis 6001,3 bis 2,3<10 bis 20
Siliziumkarbid-Schottky-Diode
600 bis 1700
1,5 bis 2,3
<15
Tabelle 1: Die verschiedenen Diodentechnologien im Vergleich