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Superjunction-MOSFETs für hart und resonant schaltende Applikationen

Die Alternative zu GaN

15. September 2015, 11:24 Uhr | Franz Stückler

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Vorteile bei PFC- und LLC-Designs

Wie bereits oben erwähnt, bieten die CoolMOS-C7-Bausteine (600 V) Vorteile in Applikationen, die durch Wirkungsgrad- und Kosten/BoM-Verbesserungen (Bill of Materials) getrieben sind. Bild 3 zeigt einen Vergleich des Wirkungsgrads von 600-V-C7-MOSFETs gegenüber Bausteinen aus der CoolMOS-CP-Familie in einem Schaltnetzteil mit Leistungsfaktorkorrektur und CCM-Betrieb (Continuous Current Mode; 65 kHz). Wie zu sehen ist, steigt mit C7-Bausteinen im TO-247-4-Pin-Gehäuse im Vergleich zu CoolMOS-CP-Komponenten der Wirkungsgrad bei geringer Last um 0,7 Prozent; über den gesamten Lastbereich zeigt sich im Durchschnitt ein um 0,4 Prozent verbesserter Wirkungsgrad. Der höhere Wirkungsgrad von Stromversorgungen führt aufgrund niedrigerer Energieverluste zu verringerten Betriebskosten. Ein Beispiel: Wird ein 2,5-kW-Schaltnetzteil für einen Server mit einer Durchschnittslast von 50 Prozent betrieben, führt die mit CoolMOS C7 erreichbare Verbesserung beim Wirkungsgrad zu insgesamt um 9 Prozent verringerten Energiekosten. Die damit einhergehenden geringeren thermischen Verluste führen zu einer höheren Bauteildichte, was sich in Einsparungen an Leiterplattenfläche widerspiegelt.

In Bild 4 ist ein Vergleich des Wirkungsgrads in LLC-Resonanzwandlern mit 600 W zu sehen – in diesem Fall bei einer für Server üblichen Ausgangsspannung von 12 V. Auch hier liefert die 600-V-C7-Technologie einen höheren Wirkungsgrad für alle Lastbedingungen.

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Durch die Verbesserungen bei Q_g, C_OSS und E_OSS und die dadurch verringerten Schaltverluste ist ein Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen möglich, ohne dass sich der Wirkungsgrad verschlechtert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die C7-Bausteine bei 130 kHz geschaltet werden können – also mit der doppelten Schaltfrequenz der vorherigen CP-Technologie –, allerdings erhöhen sich dabei die Verluste bei niedrigen Lasten um 0,2 Prozent. Die Verdoppelung der Betriebsfrequenz führt zu Einsparungen hinsichtlich des Leiterplattenplatzes und der Materialkosten, da sich dadurch die benötigte Induktivität und die Größe der benötigten Spulen verringert.

Neuer Prozess, neue Gehäuse

Zusätzlich zum Halbleiterprozess hat Infineon bei den beschriebenen Bausteinen auch Fortschritte in der Gehäusetechnik erzielt. Die CoolMOS-Familie C7 mit 600 V Sperrspannung gibt es u.a. im TO-247-4-Pin-Gehäuse; so steht ein zusätzlicher Anschluss für die MOSFET-Source zur Verfügung.

Das TO-247-4-Pin-Gehäuse wurde entwickelt, um folgendes Problem in den Griff zu bekommen: Schnelle Laststromänderungen in typischen Gate-Treiber-Arrangements können Spannungsabfälle an den parasitären Induktiven an der Source verursachen. Dieser Spannungsabfall wirkt der Treiberspannung entgegen, reduziert so die Schaltgeschwindigkeiten und erhöht die damit verbundenen Energieverluste. Die zusätzliche Source-Sense-Verbindung zur Source im TO-247-4-Pin-Gehäuse dient für den Treiber als Referenzpotenzial, eliminiert die Source-Lastkreisinduktivität in der Gate-Treiberschleife und liefert ein ungestörtes Signal zum Gate. Diese Gehäusetechnik ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad bei hohen Lasten und senkt in Abhängigkeit von der jeweiligen Applikation die Materialkosten, indem MOSFETs mit einem höheren R_DS(on) eingesetzt werden können. Der 600-V-MOSFET CoolMOS C7 steht zunächst in TO-220-, TO-247- und TO-247-4-Gehäusen zur Verfügung. Diese weisen – abhängig vom jeweiligen Baustein – maximale Ratings für den Durchlasswiderstand von 180 mΩ bis zu 40 mΩ auf. Neben den Bausteinen bietet Infineon auch Entwicklungs- und Prototyping Support in Form von applikationsspezifischen Evaluation Boards und Referenz-Designs an. Dazu gehört u.a. ein CCM-PFC-Board (130 kHz, 800 W), ein 2,5-kW-PFC-Design und ein Halbbrücken-LLC-Board (600 W) mit einem 12-V-/50-A-Ausgang.