Hochvolt-MOSFETs
Wirkungsgrad steigern mit CE-MOSFETs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Verringerung der Gate-Ladung
Eine der wichtigsten Verbesserungen ist das Verringern der Gate-Ladung Qg, da dies durch die geringeren Treiberverluste den Wirkungsgrad bei geringen Lasten erhöht. Außerdem ist es möglich, den MOSFET mit einem Gate-Treiber mit geringer Treiberleistung anzusteuern, was die Systemkosten senken kann.
Bild 3 stellt die Gate-Ladung Qg in Abhängigkeit vom maximalen Durchlasswiderstand RDS(on) im Bereich von 190 bis 950 mΩ dar. Es zeigt sich eine Verringerung der Gate-Ladung um 40 % im Vergleich zum Standard-MOSFET. Der Einfluss auf den Wirkungsgrad bei geringeren Lasten wird weiter unten erläutert.
Zielapplikationen
Der 500-V-CE eignet sich für verschiedene Applikationen, wie sich anhand eines typischen AC/DC-Schaltnetzteiles (SMPS) darstellen lässt (Bild 4).
Der 500-V-CE ist prädestiniert für die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) bzw. genauer für die Boost-Stufe eines Schaltnetzteiles. Außerdem werden DC/DC-Anwendungen adressiert - hart schaltende Topologien (TTF-Umsetzer) ebenso wie resonant schaltende Topologie (LLC-Umsetzer). Das führt zu folgenden Schlüsselanwendungen für die CE-MOSFETs:
Für den Wirkungsgrad-Vergleich zwischen 500-V-CE- und Standard-MOSFETs wurde eine CCM-Leistungsfaktorkorrektur (Continuous Conduction Mode) herangezogen; die harte Kommutierung an der leitenden Body-Diode wurde - wie sie für resonante Topologien relevant ist - über eine Halbbrücken-Konfiguration ausgeführt. Beide Vergleiche werden dargestellt.
Um ein aussagekräftiges Ergebnis in Bezug auf den Wirkungsgrad zu erhalten, ist die CCM-Leistungsfaktorkorrektur dank ihres einfachen Aufbaus und der fixen Frequenz gut geeignet. Dafür wurden folgende Parameter gewählt: UIN = 90 VAC; UOUT = 400 VDC; POUT = 0 bis 400 W; f = 100 kHz; RG,ext = 5 Ω. Genutzt wurde ein Plug&Play-Szenario eines IPP50R280CE und eines vergleichbaren Standard-MOSFETs.
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Dieser Testaufbau mit der Eingangsspannung von 90 VAC und damit höheren Strömen im PFC-MOSFET stellt ein Worst-Case-Szenario dar. Die Schaltfrequenz von 100 kHz repräsentiert die durchschnittliche Frequenz, wie man sie im Markt vorfindet (üblicherweise zwischen 65 und 135 kHz). Die Umgebungstemperatur beträgt 25 °C und der Kühlkörper wurde auf 60 °C vorgeheizt; das entspricht der in Schaltnetzteilen typischen Temperatur.
Bild 5 gibt die Ergebnisse für den Wirkungsgrad-Vergleich wieder, und zwar in absoluten (oben) und in relativen Werten (unten). - Diese Plug-and-Play-Messung zeigt die Vorteile der 500-V-CE-MOSFETs insbesondere bei kleinen Lasten. Der höchste Wirkungsgrad wurde bei etwa 150 W mit einem Absolutwert von 95,5 % gemessen - mit einer Verbesserung von 0,3 bis 0,4 % im Bereich von 100 bis 400 W. Der größte Unterschied konnte bei 40 W, also bei 10 % der maximalen Last beobachtet werden: Unter diesen Lastbedingungen ist der 500-V-CE um etwa 0,9 % besser. Dies basiert im Wesentlichen auf der um 40 % reduzierten Gate-Ladung.
Eine höhere Schaltgeschwindigkeit kann auch zu negativen Effekten führen: So können große di/dt-Werte zu Spannungsspitzen in Kombination mit parasitären Induktivitäten führen. Die höchsten di/dt-Werte werden bei der harten Kommutierung an der leitenden Body-Diode erreicht, wenn die Speicherladung Qrr der Body-Diode ausgeräumt werden muss.
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- Verringerung der Gate-Ladung
- Harte Kommutierung der leitenden Body-Diode
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