Besser durch Siliziumkarbid Wirkungsgrad einer PFC-Stufe verbessern

Seit Jahren ist eine aktive PFC-Stufe in vielen Netzteilen eingebaut. Leider verursacht sie zusätzliche Verluste. Durch den Einsatz eines »SuperJunction«-MOSFETs und einer Freilaufdiode aus Siliziumkarbid (SiC) lässt sich der Wirkungsgrad einer PFC gegenüber konventionellen Bauelementen um über 4% steigern.

Der Leistungsfaktor ist ein allgemein übliches Maß, um die Qualität der Eingangsleistung von Netzteilen zu beurteilen. Erst vor kurzem wurden die PFC-Anforderungen (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrektur) für Endanwendungen durch verbindliche Normen wie die IEC 61000-4-3 weiter verschärft, ein derzeit gängiger Trend im Markt für Stromversorgungen. Um diese Anforderungen erfüllen zu können, verwenden die meisten Entwickler heute aktive PFC-Designs, um diesen Standards zu genügen.

Eine CCM-PFC-Stufe (Continuous Conduction Mode, nichtlückender Betrieb) ist die bevorzugte aktive Topologie für sehr leistungsfähige Netzteile (Bild 1). Im Gegensatz zum DCM-Modus (Discontinuous Conduction Mode, lückender Betrieb) zeichnet sich diese durch einen geringen Brummstrom aus, sodass ein einfaches Filter zur Funkentstörung (EMI) ausreicht und eine hohe Stabilität auch bei kleiner Last gewährleistet ist. Daher nutzen nicht nur Stromversorgungen für Server oder Basisstationen eine CCM-PFC, sondern immer häufiger auch Netzteile für Flachbildschirme.

Entsprechend dem allgemeinen Trend hin zu höherer Leistungsdichte müssen die Entwickler nicht nur die Verlustleistung der PFC-Stufe, sondern auch deren Größe und Gewicht reduzieren – entweder durch Erhöhung der Schaltfrequenz oder durch Integration von aktiven Bauelementen.

Dieses lässt sich mit einer neuen Kombination aus MOSFET und Freilaufdiode erreichen, die gegenüber dem Einsatz konventioneller Bauteile den Wirkungsgrad um mehr als 4% erhöht, indem sie die Schaltverluste in CCM-PFC-Stufen verringert. Als Beispiel diene eine typische 400-W-PFC-Anwendung. Dabei wird die neuartige Kombination aus schnell schaltendem MOSFET mit geringem Durchlasswiderstand (RDS(on)) und einer SiC-Schottky-Diode (Siliziumkarbid) mit niedriger Rückwärtserhol-Ladung (Qrr) einer typischen Kombination von pn-Siliziumdiode und planarem MOSFET gegenübergestellt.

Verluste durch die Diode

Wo entstehen in einer PFC-Stufe die größten Verluste? Normalerweise ist dafür die Rückwärtserhol-Charakteristik (Reverse Recovery) der pn-Siliziumdiode verantwortlich. Allerdings treten die Verluste nicht in der Diode selbst auf, sondern im MOSFET. Außerdem hängen diese Verluste hauptsächlich vom Betriebsstrom und der Temperatur der Diode ab.

Bild 2 zeigt, was beim Einschalten des MOSFETs in einer PFC-Stufe im nichtlückenden Betrieb passiert: Zu Beginn leitet die Diode den Eingangsstrom durch eine gewisse Menge von in dem Bauteil gespeicherten Minoritätsladungsträgern.

Schaltet der MOSFET ein, sperrt die pn-Diode aufgrund dieser Ladungsträger nicht im selben Moment. Somit fließt ein sehr großer Strom durch den MOSFET, der sich aus dem Rückwärtserhol- und dem Entladestrom der Diode sowie dem gleichgerichteten Eingangsstrom zusammensetzt. Den Stromanstieg begrenzen normalerweise die Gehäuseinduktivität und andere Streuinduktivitäten in der Schaltung.

Der blau unterlegte Bereich innerhalb des negativen Teils des Stromverlaufs der Diode in Bild 2 entspricht Qrr, während die Intervalldauer (t0 bis t2) der Rückwärtserhol-Zeit (trr) entspricht. Während des Intervalls t0 < t < t1 bleibt die Diode in Durchlassrichtung, somit ist die MOSFETSpannung gleich V0. Zum Zeitpunkt t1 ist die gespeicherte Ladung in der Umgebung des pn-Übergangs erschöpft. Es fließt weiterhin ein negativer Diodenstrom, der sowohl alle übrigen gespeicherten Minoritätsladungsträger als auch die Aufladung der Sperrschichtkapazität kompensiert. Zum Zeitpunkt t2 ist dieser Strom praktisch auf Null zurückgegangen, und die Diode ist in einem stabilen Sperrzustand[1]. Diese Verluste aufgrund des Sperrverhaltens der Diode sind die Ursache dafür, dass der Wirkungsgrad und die Schaltfrequenz einer PFC im nichtlückenden Betrieb bei der Verwendung einer pn-Siliziumdiode nicht den Wünschen der Entwickler entsprechen.

Demzufolge ist es bei einer CCM-PFC extrem wichtig, die Leitungs- und Schaltverluste des MOSFETs und der Freilaufdiode zu reduzieren. Um das zu erreichen, muss der MOSFET folgende Anforderungen erfüllen:

  • geringer RDS(on), um die Leitungsverluste zu reduzieren, 
  • geringe Gate-Drain-Kapazität (CGD), um die Schaltverluste zu reduzieren, 
  • geringe Gate-Ladung (QG), um die Gate-Ansteuerleistung zu reduzieren, und 
  • niedriger Wärmewiderstand.

Für die Freilaufdiode gelten in diesem Design folgende Anforderungen:

  • geringe Rückwärtserhol-Zeit beziehungsweise -Ladung (trr/Qrr), um die Einschaltverluste des MOS-FETs und die Schaltverluste der Diode zu reduzieren, 
  • geringe Flussspannung Vf, um die Leitungsverluste zu reduzieren, 
  • weiche Rückwärtserhol-Charakteristik, um die elektromagnetische Abstrahlung (EMI) zu reduzieren, und 
  • niedriger Wärmewiderstand.