Leistungselektronik Hart und weich geschaltet

Querschnitt durch einen »CoolMOS«-Baustein mit integrierter Body-Diode
Querschnitt durch einen »CoolMOS«-Baustein mit integrierter Body-Diode

Mit dem Trend zu immer höheren Leistungsdichten empfehlen sich soft schaltende Topologien wie Halbbrücken- und Vollbrückenkonzepte. Diese Topologien reduzieren die Schaltverluste und erhöhen die Systemzuverlässigkeit dank des verringerten Stresses für die Leistungshalbleiter. Stress-Effekte treten insbesondere in Arbeitspunkten mit geringer Last auf. Superjunction-Bauelemente können dieses Problem überwinden.

Zu den soft schaltenden Halbbrücken-Topologien zählen beispielsweise HID (High Intensity Discharge) oder LLC, ein Beispiel für ein entsprechendes Vollbrückenkonzept ist ZVS (Zero Voltage Switching). Dass jene Topologien die Systemzuverlässigkeit verbessern, zeigt sich im geringen di/dt- und du/dt-Stressverhalten. Superjunction-Bauelemente wie die »CoolMOS«-Familie von Infineon können das Problem der Stress-Effekte in niedrigen Lastbereichen überwinden. Dafür sorgt die optimierte Entfernung der Ladungsträger während des Rückstromes (Reverse-Recovery) und die Verhinderung des »Latch up«-Problems des parasitären bipolaren npn-Transistors.

Bei CoolMOS ist die Wechselwirkung zwischen der Gate-Ladung, der Übertragungssteilheit und dem internen Gate-Widerstand so optimiert, dass auch bei sehr kleinen Gate-Widerständen keine hohen Spannungs- oder Stromsteil-heiten auftreten. Die Speicher- oder Reverse-Recovery-Ladung kann mit Hilfe einer verbesserten Rekombinationsrate der injizierten Träger deutlich reduziert werden. Dies sorgt für geringere Rückstromspitzen während des Abschaltvorganges, während sich die Speicherverzögerungsladung um nahezu den Faktor 10 verringert.

Für die optimierte Leistungsfähigkeit der Body-Diode in hart schaltenden Applikationen spielen insbesondere die Kurvenform des resultierenden Reverse-Recovery-Schwingungverlaufs und die Designbedingungen auf der Leiterplatte eine wichtige Rolle. Die neue »CoolMOS 650-V CFD2«-Familie mit integrierter Body-Diode wurde speziell im Hinblick auf ein verbessertes Recovery-Verhalten entwickelt und bietet gleichzeitig eine höhere Sicherheitsmarge für die Durchbruchspannung.

Recovery-Verhalten

Die CFD2-Bauelemente bieten alle Vorteile schnell schaltender Superjuction-MOSFETs, erlauben jedoch bessere Handhabung. Das weichere Umschaltverhalten der 650-V-CFD2-MOSFETs, den Nachfolgern der 600-V-CFD-Familie, und die daraus resultierende Verbesserung der EMI-Störfestigkeit sowie der im Vergleich zur C3-basierten CFD-Technik niedrigere Preis und bessere Wirkungsgrad bei kleinen Lasten (aufgrund der geringeren Gate-Ladung) lassen die neuen Leistungsbauelemente für Resonanzschaltanwendungen geeignet erscheinen.

In Bild 1 ist das Recovery-Verhalten des neuen Bausteins dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die CFD2-Leistungshalbleiter im Vergleich zu Standardbauteilen eine sehr geringe Sperrverzögerungsladung Qrr, Sperrerholzeit trr und eine geringe Rückstromspitze (Spitzensperrstrom) Irrm haben. Gleichzeitig weisen die Kurvenverläufe eine »softe« Charakteristik auf, trotz der deutlich reduzierten Werte für Qrr, trr und Irrm.

Diese Eigenschaften sind besonders bei der harten Kommutierung gefragt, um das Überschwingen der Spannung zu vermeiden und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Mit entsprechenden Reverse-Recovery-Messungen wurde die Kommutierungsfestigkeit der CFD2-Leistungshalbleiter ermittelt. Dabei wurden die MOSFETs mit Stromsteilheiten von bis zu 2000 A/µs getestet. Auch unter diesen extremen Bedingungen wurde kein Bauelement zerstört und die Kurvenverläufe wiesen im Vergleich zu hart abreißenden Stromkurven anderer Superjunction-Bauelemente immer noch eine softe Charakteristik auf.

Damit ergibt sich ein wichtiger Vorteil für die Leistungselektronik-Entwickler, die ihre Applikationen auf hohe Performance auslegen können, ohne befürchten zu müssen, dass ihre Bauelemente durch die harte Kommutierung der Body-Diode zerstört werden können.

Für Entwickler von besonderer Bedeutung ist die Abhängigkeit der Sperrverzögerungsladung Qrr und der Sperrerholzeit trr von der Temperatur. Beide Parameter erhöhen sich mit steigender Temperatur aufgrund der zunehmenden Ladungsträger, die im Leistungshalbleiter erzeugt werden. Im Bild 2 ist die entsprechende Abhängigkeit für einen CFD2-MOSFET mit 310 mΩ/650 V dargestellt.

Es lässt sich ein linearer Verlauf von Qrr und trr mit der Temperatur beobachten. Ebenso wichtig ist die Abhängigkeit von Qrr beziehungsweise trr vom Durchlasswiderstand RDS(on) des Leistungshalbleiters. Dafür wurde der 650-V-CFD2-MOSFET mit der vorhergehenden CoolMOS-Generation mit »Fast-Diode«-Architektur verglichen. Auch hier scheint die neue Generation eine deutliche bessere Ausgewogenheit zwischen den dynamischen Charakteristika (Qrr, trr) und einem möglichst geringen RDS(on)-Wert aufzuweisen.

Evaluierungsbeispiel: HID-Brücke

Die Leistungsfähigkeit der neuen MOSFETs wurde auch in einer HID-Halbbrückenschaltung (Bild 3) gegenüber einem Standardbaustein (»SPD07N60C3«) getestet.

Bei Verwendung des CFD2-Leistungshalbleiters konnte auf die Dioden D2, D3, D4 und D5 verzichtet und so die Systemkosten reduziert werden. Als Referenz wurden die Kurvenverläufe für den SPD07N60C3 als Transistor T2 und T3 sowie mit den Dioden D2, D3, D4 und D5 ermittelt.

Dieser Schaltungsaufbau erreichte einen Wirkungsgrad von 91,81% (Bild 4).

Entfernen der zu den Transistoren in Serie geschalteten Dioden eliminiert den zusätzlichen Spannungsabfall im Vorwärtsbetrieb. Die Lösung erfordert allerdings eine hohe Performance der internen Body-Diode des MOSFETs, da die Schaltverluste aufgrund der im MOSFET gespeicherten Sperrverzögerungsladung größer werden.

Bilder: 3

Hart und weich geschaltet

Hart und weich geschaltet

Neben den höheren Schaltverlusten hat diese Konfiguration noch einen weiteren Nachteil, denn der MOSFET kann aufgrund der hohen negativen Rückstromspitze auch zerstört werden. Mit dem neuen »IPD65R660CFD« ist eine passende Lösung möglich.

Die Leistungsdaten der internen Body-Diode des MOSFETs erlaubt es, eine Schaltung ohne die Dioden D2 bis D5 aufzubauen und gleichzeitig einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen (Bilder 5 und 6).

Die spezielle Konstruktion der internen Body-Diode des neuen Leistungshalbleiters mit geringer Sperrverzögerungsladung ermöglicht zudem einen weitgehend zuverlässigen Betrieb.

Über die Autoren:

M.-A. Kutschak ist Application Engineer, Wolfgang Jantscher arbeitet im Technical Development, Dieter Zipprick ist als Field Application Engineer tätig und A. Ludsteck-Pechloff arbeitet als Package Concept Engineer, alle bei Infineon Technologies.

Was bringt CFD2?

Begrenztes Spannungsüberschwingen bei harter Kommutierung

Im Vergleich zur C3-basierten CFD-Technik deutliche Redzierung der Gat-Ladung (QG)

Kleinerer Unterschied zwischen maximalem und typischem RDS(on)

Geringe Schaltverluste aufgrund des niedrigen Qrr-Wertes während der Kommutierung auf die Body-Diode

Niedriger EOSS-Wert

Kleinere Ein- und Ausschaltverzögerung

Einfache Integration in die Schaltung

Typische Anwendungen finden sich in der Telekommunikation, Servern, Batterieladegeräten, in Solaranlagen sowie Vorschaltgeräten für HID-Lampen oder LED-Leuchten