Optimierte Dioden Komponenten mit 650 V Sperrspannung

Unterschiedliche Anwendungen erfordern optimierte Leistungshalbleiter. Abhängig von der Applikation sollten beispielsweise die Dioden im Hinblick auf eine geringe Flussspannung oder geringe Sperrladung optimiert sein. Das soll anhand zweier neuer Diodenfamilien deutlich werden.

Um einen hohen Wirkungsgrad bei geringer elektromagnetischer Abstrahlung (EMI) zu erreichen, sind für die jeweiligen Anwendungen optimierte Leistungshalbleiter erforderlich. Daher hat Infineon die Diodenfamilie »Rapid« auf unterschiedliche Applikationen hin optimiert. Viele Haushaltsgeräte, USVs, Schweißgeräte und manche Solar-Applikationen beispielsweise arbeiten mit geringen Schaltfrequenzen. Daher dominieren hier die Leitungsverluste gegenüber den Schaltverlusten.

Leitungsverluste treten auf, wenn die Diode mit einer entsprechenden Flussspannung (Vorwärtsspannung) Vf leitend ist. Dioden mit geringer Flussspannung senken daher die Leitungsverluste. In Applikationen wie Schaltnetzteilen und den meisten Photovoltaik-Wechselrichtern jedoch sind eine hohe Leistungsdichte und ein hoher Wirkungsgrad die wesentlichen Anforderungen. Diese Anwendungen erfordern auch eine PFC-Schaltung, um den internationalen Standards gemäß den Harmonischen des Eingangsstromes gerecht zu werden.

Der PFC-Betrieb mit hohen Schaltfrequenzen ermöglicht den Einsatz von kleineren passiven Komponenten und damit ein kompakteres Systemdesign. Die vielfach genutzte PFC im nichtlückenden Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) arbeitet als Hochsetzsteller hart schaltend. Schaltet man jedoch hart auf eine leitende Boost-Diode, fließt durch dieses Bauteil solange ein Strom in Rückwärtsrichtung, bis die Diode sperrt. Damit steigen aber die Einschaltverluste.

Daher sind in einem solchen Fall Dioden mit einer sehr geringen Sperrladung Qrr und Sperrerholzeit trr (Reverse Recovery) ideal, um die Rückwärts-Leitungseffekte zeitlich zu begrenzen und so die Einschaltverluste zu verringern beziehungsweise den Wirkungsgrad zu erhöhen. Unterschiedliche Anwendungen erfordern also verschiedene Diodentypen. So eignen sich Bauteile mit einer niedrigen Flussspannung für Anwendungen mit geringen Schaltfrequenzen. Dioden mit geringen Qrr- und trr-Werten sind besser für hohe Schaltfrequenzen.

Vor diesem Hintergrund hat Infineon die pin-Diodenserien (positive intrinsic negative) »Rapid 1« und »Rapid 2« entwickelt (Bild 1). Erstere ist im Hinblick auf die Flussspannung optimiert und bietet geringe Leitungsverluste für Applikationen mit Schaltfrequenzen bis zu 40 kHz. Dagegen sind die Rapid-2-Dioden mit einer Sperrerholzeit trr von unter 20 ns für Anwendungen mit Schaltfrequenzen von 40 kHz bis 100 kHz geeignet, weil sie die Schaltverluste minimieren.

Entsprechende Anwendungstests belegen geringere Leitungs- und Schaltverluste, eine »weiche« Sperrerholung und hohe Temperaturstabilität. Die statische (geringe Vf) und die dynamische Performance (geringe trr) einer pin-Diode bestimmt sich durch das Plasma der überschüssigen Ladungsträger, die in die Drift-Region injiziert werden.

Das Plasma moduliert die Leitfähigkeit der Diode, muss aber entfernt werden, bevor eine Spannung anliegt. Eine höhere Plasmakonzentration führt zu einer besseren Leitfähigkeit, also zu einer kleineren Flussspannung - wie bei der Rapid 1. Andererseits muss dann aber auch mehr Ladung entfernt werden, was zu einer hohen Sperrladung führt.

Das Plasmaniveau während des leitenden Zustands der pin-Diode bestimmt sich aus der Dicke des Drift-Layers, der Lebenszeit der Ladungsträger in der Drift-Zone sowie der Abweichungen bezüglich Tiefe und Effizienz der Injektion der Anode oder Kathode. Üblicherweise wird der Plasmaaufbau durch Reduzieren der ambipolaren Lebenszeit ausgeführt.

Das beeinflusst allerdings den Temperaturkoeffizienten negativ, denn mehr Plasma bei höherer Temperatur resultiert in einem negativen Temperaturkoeffizienten von Vf; damit steigen Verluste bei höheren Temperaturen. Außerdem werden zusätzliche Niveaus in der Bandlücke erzeugt, was bei höherer Temperatur zu höheren Leckströmen in Sperrrichtung führt. Mithilfe der Dünnwafer-Technik optimiert Infineon die Rapid-Dioden, indem das Unternehmen die Effizienz der Kathoden-Injektion variiert. In einem herkömmlichen epitaxialen Prozess ist dieser Parameter nicht einfach zugängig, speziell bei sehr geringen Injektions-Effizienzen.

Bild 2 zeigt, dass die Rapid-1-Dioden dank des Dünnwafer-Verfahrens eine stabile Flussspannung über die Temperatur aufweisen. Hierbei wurde eine Rapid-1-Diode (650 V/30 A) mit zwei Wettbewerbsprodukten (600 V/30 A) mit geringen Vf-Werten verglichen, wie man sie oft im asiatischen Solar-Markt findet. In dem Test zeigt die Rapid-1-Diode nur eine geringe Abweichung von 18 mV im Bereich von +25 °C bis zu +100 °C Sperrschichttemperatur Tj.

Das ist eine signifikant bessere Stabilität verglichen mit Werten von 195 mV beziehungsweise 408 mV der Wettbewerbsprodukte. Darüber hinaus sind auch die absoluten Werte der Flussspannung Vf mit 1,406 V geringer als die Vergleichswerte von 1,550 V beziehungsweise 1,542 V. Als Maß für die Gesamtperformance soll nun der Zusammenhang zwischen Vf und Qrr betrachtet werden.

Mithilfe der Doppel-Puls-Testschaltung (Bild 3) lässt sich ermitteln, wie die Diode die Einschaltverluste Eon beeinflusst. Die Messergebnisse zeigt Tabelle 1.

Produkt
Vf/V
IRRM/A
Qff/nC
EON(switch)/mJ
Rapid 1
1,406
14,99
861,2
1,019
Mitbewerber A1,55019,22712,71,016
Mitbewerber B
1,542
22,74
772,3
1,019
Tabelle 1: Testergebnisse für die Diode und die Einschaltverluste EON (ID = 30 A, Tj = +100 °C)

Aus Bild 2 ergibt sich, dass die Rapid-1-Dioden die geringste Flussspannung Vf bieten. Das führt insbesondere bei Anwendungen mit hoher Leistung und niedrigen Schaltfrequenzen zu geringeren Leitungsverlusten. Dank eines geringen periodischen Spitzensperrstromes IRRM sind auch die Einschaltverluste EON gering, was den elektrischen und thermischen Stress für den Leistungsschalter reduziert. Damit wird neben der Durchbruchsspannung von 650 V auch der Wirkungsgrad des Leistungsschalters erhöht.

Rapid 2 für PFC-Applikationen

Für den PFC-Betrieb gibt es zwei Modi: den lückenden Betrieb (Discontinuous Current Mode, DCM) und den nichtlückenden Modus (Continuous Current Mode, CCM). Beim DCM schaltet der Leistungsschalter ein, während der Drosselstrom Null ist, damit die Boost-Diode keinen Vorwärtsstrom aufweist, bevor der Leistungsschalter einschaltet. Daher sind hier keine Dioden mit sehr kurzen Sperrerholzeiten erforderlich.

Beim CCM fließt durch die Boost-Diode jedoch ein Durchlassstrom, bevor der Schalter einschaltet. Beim Einschalten des Schalters befindet sich die Diode im Übergang vom leitenden zum sperrenden Zustand. In diesem Status weist sie einen hohen Strom und eine hohe Spannung auf; und das Produkt aus diesen Werten ist die Verlustleistung.

Zur Vermeidung entsprechend hoher Verluste, sollte die Sperrerholzeit daher so kurz wie möglich sein. Für eine schnelle Sperr-erholzeit muss die Boost-Diode eine geringe Sperrladung Qrr haben. Die Rapid-2-Dioden mit einer geringen Qrr reduzieren die Einschaltverluste EON des Leistungsschalters. Die softe Charakteristik sorgt für eine geringe EMI, die während der Sperrerholzeit der Boost-Diode auftritt.

Um dies zu verifizieren, wurde eine hart schaltende Boost-PFC-Schaltung mit CCM und einer Ausgangsleistung von 800 W als Testschaltung genutzt (Bild 4). Bei dem Test wurde die Eingangswechselspannung zwischen 100 V und 220 V variiert, während die Ausgangsgleichspannung (Vout) der PFC-Stufe 400 V betrug. Die Tests wurden bei +25 °C Umgebungstemperatur durchgeführt.

Die Signalverläufe in Bild 4 geben die Ergebnisse für eine Rapid 2-Diode (650 V/8 A) im Vergleich mit Wettbewerbsprodukten (600 V/8 A) wieder, die auch geringe Sperrladungen aufweisen. Durch die Boost-Diode fließt der Durchlassstrom IF. Nach 20 ns leitet die Diode den Durchlassstrom zum Leistungsschalter, indem dieser eingeschaltet wird. Nach 6 ns ist der komplette Vorwärtsstrom der Boost-Diode zum Leistungsschalter umgeleitet worden.

Diese Zeitspanne wird mit tr bezeichnet. Nach tr geht die Diode in den Recovery-Betrieb mit einem bestimmten dif/dt. Dabei müssen Minoritätsladungsträger aus der Boost-Diode beseitigt werden, bevor eine Reverse-Spannung unterstützt werden kann. Der Umkehrstrom beginnt nach der Zeitspanne tr, erreicht dann einen maximalen Wert (IRRM) und geht dann wieder auf null zurück.

IRRM beeinflusst die Einschaltverluste EON des Leistungsschalters, da IRRM als Stromspitze beim Übergang zwischen dem ausgeschalteten und eingeschalteten Zustand des Schalters reflektiert wird. Um die Werte für EON zu minimieren, muss IRRM so klein wie möglich sein. Außerdem sollte die Sperrerholzeit trr (d.h. ta + tb in Bild 4) so kurz wie möglich sein, um die Zeitdauer für EON zu begrenzen. Dabei muss das softe Schaltverhalten der Boost-Diode berücksichtigt werden, wobei tb länger ist als ta.

Die »Softness«-Rate (d.h. S = tb/ta) sollte daher immer größer als eins sein. Kleiner als eins bedeutet, dass die Diode bei der Sperrerholung unsanft oder »snappy« ist. Ein derartiges Recovery-Verhalten kann zu einer höheren Verlustleistung der Boost-Diode während tb führen. Tabelle 2 zeigt, dass die Rapid-2-Dioden einen geringen IRRM mit einer kurzen ta-Zeit kombinieren und so den geringsten EON-Wert für den Leistungsschalter aufweisen.

Produkt
IRRM/A
ta/ns
tb/ns
trr/ns
Qrr/nC
S
EON(Switch)/µJ
Rapid 2
13,46
7,8
11,2
19,0
127,9
1,4
51,1
Mitbewerber C14,749,06,415,4113,50,755,1
Mitbewerber D
15,38
9,9
12,2
22,1
169,9
1,2
58,5
Tabelle 2: Testergebnisse für die Sperrerholung der Dioden und EON

Damit bieten sie für den Leistungsschalter einen höheren Wirkungsgrad und eine geringere Sperrschichttemperatur Tj bei gleichzeitig hohem Softness-Faktor. Der Wettbewerber C bietet zwar die geringste Sperrerholzeit trr für die geringste Sperrladung Qrr. Da hier aber tb zu kurz im Vergleich zu ta ausfällt, ist die Sperrerholung »snappy«. Aufgrund der höheren Verlustleistung in der Boost-Diode kann das die Robustheit des Bauteils reduzieren. Rapid-2-Dioden bieten dagegen eine gute Ausgewogenheit bezüglich einer geringen Sperrladung und hohen Softness-Rate S.

Bild 5 zeigt den Vergleich mit Eingangswechselspannungen von 115 V und 230 V über den gesamten Lastbereich bei +25 °C Umgebungstemperatur. Die Rapid-2-Dioden weisen aufgrund ihrer Charakteristika einen besseren Wirkungsgrad bei kleinen und mittleren Lasten sowie eine hohe Effizienz auch bei Volllast auf.

Die Robustheit der Rapid-1- und Rapid-2-Dioden verbessert sich durch die höhere Sperrspannung von 650 V weiter. Das sind 50 V mehr als der Wettbewerb - unter Beibehaltung der Soft-Recovery-Charakteristik. In Kombination mit den Superjunction-MOSFETs der »CoolMOS«-Familie und den Trenchstop-IGBTs stehen damit alle für High-Power-Schaltungen erforderlichen Komponenten aus einer Hand zur Verfügung.

Über die Autoren:

Omar Harmon ist Senior Application Engineer und Dr. Holger Hüsken ist Principal Power Technology High Voltage, beide bei Infineon Technologies.