Besser durch Siliziumkarbid
Wirkungsgrad einer PFC-Stufe verbessern
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
MOSFETs im Vergleich
Im folgenden Abschnitt werden zwei Arten von Hochspannungs-MOSFETs (600 V Sperrspannung) miteinander verglichen: ein konventioneller planarer MOSFET und ein so genannter »SuperJunction «-MOSFET, bei Fairchild Semiconductor unter dem Markennamen »SuperFET « bekannt.
Bild 3 stellt diese Bauteile in ihrem inneren Aufbau gegenüber. Einer der entscheidenden Unterschiede ist eine tiefe pleitende Säule (Pillar) im SuperFET. Den größten Teil (über 90%) des niedrigen RDS(on) des Hochspannungs-MOSFETs liefert die n-Driftschicht. Der Zweck der tiefen p-leitenden Säulen im SuperFET besteht darin, das elektrische Feld in der schwach dotierten epitaxialen Region des MOSFETs zu begrenzen.
Dank dieser p-leitenden Säule reduziert sich der spezifische Widerstand des n-leitenden Bereichs gegenüber konventionellen planaren MOSFETs deutlich, wobei die Durchbruchspannung gleich bleibt. Durch Senken des Durchlasswiderstandes ist der SuperFET im Vergleich zu einem konventionellen planaren MOSFET bei gleichem Drain-Nennstrom um etwa 35% kleiner.
Da das Schaltverhalten eines MOSFETs von den parasitären Kapazitäten abhängt, ist es entscheidend, diese zu beurteilen. Beispielsweise hat der kleine aktive Bereich eines SuperFETs eine kleine Eingangskapazität und deshalb eine geringe Gate-Ladung zur Folge. Dies wiederum führt zu einer sehr kurzen Einschaltverzögerungszeit.
Beim Vergleich der Kapazitäten eines SuperFETs und eines planaren MOSFETs nimmt die Rückwirkungskapazität (Crss) bei einem Hochspannungs-MOSFET sehr rasch ab (bei einer Drain-Source-Spannung von etwa 10 V), während eine kleinere Ausgangskapazität (COSS) die Entladeverluste beim Einschaltvorgang reduziert. Da SuperFETs im Hinblick auf eine höhere Robustheit gegenüber schnellen Spannungs- (du/dt) und Stromänderungen (di/dt) entwickelt wurden, arbeiten diese Bauteile bei höheren Frequenzen zuverlässiger. Ihre »Figure of Merit« (FOM) liegt auf Grund des geringeren Widerstands bei einem Drittel jener planarer Bauteile.
Ein Vorteil des Einsatzes eines solchen SuperFETs besteht darin, dass der geringe Durchlasswiderstand die Verluste vermindert. Dadurch können die Entwickler auf teuere Kühlsysteme verzichten sowie die Größe der Kühlkörper reduzieren und somit Platz auf der Baugruppe einsparen. Die geringe Gate-Ladung erleichtert zudem die Ansteuerung und das Ein/Ausschalten bei höheren Frequenzen, was wiederum den Wirkungsgrad steigern kann.
Dioden im Vergleich
Schottky-Dioden aus Silizium kommen normalerweise für Anwendungen mit kleinen oder mittleren Spannungen von weniger als 300 V zum Einsatz, da sie sich durch sehr niedrige Schaltverluste und einen positiven Temperaturkoeffizienten bei einem akzeptablen Leckstrom und Spannungsabfall in Durchlassrichtung auszeichnen. Für Hochspannungsanwendungen, beispielsweise in PFC-Stufen, eignen sich Schottky-Dioden aus Silizium wegen des hohen Leckstroms und des großen Spannungsabfalls weniger. Normale pn-Dioden aus Silizium waren bislang die einzige mögliche Wahl, allerdings haben sie eine sehr lange Rückwärtserhol-Zeit und eine relativ hohe Durchlassspannung.
Für Hochspannungsdesigns sind hier SiC-Schottky-Dioden attraktiv. Das elektrische Feld von Siliziumkarbid beim Durchbruch ist rund zehnmal stärker als das von Silizium, und die große Bandlücke ermöglicht eine höhere Betriebstemperatur[8]. Außerdem hat eine SiC-Schottky-Diode keinen Rückwärtserhol-Strom während des Schaltvorgangs, weil die Anzahl der Minoritätsladungsträger deutlich geringer ist. Zwar tritt ein Verschiebungsstrom auf Grund der parasitären Sperrschichtkapazität auf, dieser ist jedoch zu vernachlässigen. Wie zuvor erwähnt, bietet eine SiC-Schottky-Diode in CCM-PFC-Anwendungen dank ihrer wesentlich besseren Rückwärterhol-Charakteristik Vorteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit – und zwar unabhängig von der Temperatur- und Leitungscharakteristik[2 bis 6].
Bild 4 vergleicht die Rückwärtserhol-Charakteristik einer SiC-Schottky-Diode mit den Werten verschiedener Siliziumdioden. In diesem Beispiel werden die »Fast Recovery «-Dioden von Fairchild entsprechend den trr- und Vf-Werten in drei Typen eingeteilt, wobei die »Stealth«-Diode die schnellste Rückwärtserhol-Charakteristik und die »Ultrafast«-Diode den geringsten Spannungsabfall in Durchlassrichtung (Vf) aufweisen.
Bei einem Reverse-Recovery-Test bei Raumtemperatur (+25 °C) zeigen Si-Dioden einen hohen Sperrverzögerungsstrom, während bei einer SiC-Schottky-Diode nur ein kleiner Verschiebungsstrom auftritt.
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- Die Kombination im Test
