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Wide Bandgap für die 5G-Infrastruktur

650-V-CoolSiC in modernen Telekommunikations-SMPS

19. Oktober 2021, 12:15 Uhr | Von Francesco Di Domenico, Lead Principal Application Engineering bei Infineon Technologies

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Eindeutig Wirkungsgrade

CoolSiC- und CoolGaN-Bauteile mit breiter Bandlücke ermöglichen hingegen eindeutig Wirkungsgrade von über 99 Prozent. Dabei erlaubt CoolGaN zwar den höchsten Spitzenwirkungsgrad, doch erfordern die Bauteile ein komplexeres Ansteuerungsschema. Dagegen bietet der CoolSiC-MOSFET 650 V einen sehr hohen Wirkungsgrad bei einer beachtlichen Leistungsdichte, die typisch für Totem-Pole-PFC ist – und das bei relativ geringem Design-Aufwand, vor allem in Bezug auf die Ansteuerungsschaltung.

Ein wichtiges Merkmal des CoolSiC-MOSFET 650 V ist in Bild 2 zu sehen, das die normalisierte RDS(on)-Kurve in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur für CoolMOS-, CoolGaN- und CoolSiC-Bauteile zeigt.

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Es ist leicht zu erkennen, dass CoolSiC den geringsten Anstieg des R_DS(on)-Werts über der Temperatur aufweist. Dadurch werden kosteneffiziente Designs möglich, weil Entwickler auch Bauteile wählen können, die im Vergleich zu den beiden anderen Technologien einen höheren Durchlasswiderstand bei Raumtemperatur aufweisen.

Andererseits weist der CoolSiC-MOSFET 650 V selbst bei Verwendung des R_DS(on)-Bereichs von alternativen Technologien mit Sicherheit geringere Leitungsverluste bei Volllast auf. Leitungsverluste sind die vorherrschenden Verlustquellen beim Soft Switching unter Volllast; daher kann durch deren Minimierung eine erhebliche Effizienzsteigerung erreicht werden. Zudem trägt das auch dazu bei, einen flachen Wirkungsgradverlauf zu erreichen, was ebenfalls eine wichtige Anforderung für 5G-Telekommunikations-SMPS ist.

Aufgrund seiner sehr guten thermischen Leistung ist der CoolSiC MOSFET 650 V die beste Wahl für raue Außenbedingungen: Im Außenbereich kann die Betriebstemperatur eines SMPS für 5G-Telekommunikation bis zu 80 °C betragen. Außerdem macht die natürliche Kühlung die Wärmeableitung zur Herausforderung. Unter extremen Wärmebedingungen arbeiten die Leistungshalbleiter fast durchgehend bei Sperrschichttemperaturen von fast 100 °C. Aus Bild 2 wird ersichtlich, dass der CoolSiC-MOSFET 650 V in diesen Anwendungen erhebliche Vorteile in Bezug auf Effizienz und Zuverlässigkeit bietet.

Bei lüfterlosen SMPS-Designs ist die Metall-Platten-Kühlung, beispielsweise durch das Gehäuse, weitverbreitet. SMD-Gehäuse, insbesondere mit einer Kühloption auf der Oberseite, sind für dieses Konzept ideal geeignet. Um den CoolSiC-MOSFET 650 V in diesen Designs optimal nutzen zu können, wird das Portfolio von Infineon außerdem um SMD-Gehäuse erweitert.

Ein wichtiger Aspekt der Zuverlässigkeit bei Telekommunikationsanwendungen ist die sogenannte Robustheit gegenüber kosmischer Strahlung. Wie jedes andere Hochleistungsbauelement sind auch SiC-MOSFETs anfällig für Single Event Burn-out (SEB) durch kosmische Strahlung. Mit anderen Worten: Es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass ein Leistungshalbleiter unter Blockierungsbedingungen zerstört wird, wenn es von einem hochenergetischen Teilchen getroffen wird, das durch Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung in unserer Atmosphäre entsteht. Die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls hängt hauptsächlich von der Durchbruchspannung des Bauteils, der angelegten Blockier-Spannung, der Betriebszeit, der Betriebstemperatur und der Höhe ab. Insbesondere die beiden letztgenannten Aspekte machen die kosmische Strahlung zu einem entscheidenden Parameter für Hochspannungsgeräte in Telekommunikationsnetzen.

Zu den Design-Parametern des Bauteils gehört seine Robustheit gegenüber kosmischer Strahlung; sie ist für jede FIT-Rate je nach spezifischem Anwendungsprofil anpassbar. Der CoolSiC-MOSFET 650 V wurde so designt, dass er den Anstieg des Ein-Widerstands minimiert und gleichzeitig die Anforderungen an die kosmische Strahlung in typischen Telekommunikationsanwendungen erfüllt. Darüber hinaus stellt die sehr gute thermische Leistung der CoolSiC-MOSFET-Technologie einen entscheidenden Vorteil für die Zuverlässigkeit von Schaltnetzteilen dar.