Mehr als nur geringere Durchlasswiderstände und reduzierte kapazitive Verluste
Maximale Effizienz in der Leistungselektronik durch Superjunction- und SiC-MOSFETs
Höherer Systemwirkungsgrad, geringere Wärmeentwicklung, reduzierter Leckstrom, verbesserte Systemzuverlässigkeit sowie weniger Gewicht und Platzbedarf - diesen Maximen folgt der Einsatz von Power-MOSFETs in der Leistungselektronik.
Zur Effizienzsteigerung ihrer Applikationsaufgaben wünschen sich Entwickler in der Leistungselektronik, unabhängig davon, ob sie sich nun mit der Realisierung einer Stromversorgungslösung beschäftigen, oder an der Realisierung eines Motorantriebs arbeiten, einen möglichst hoch sperrenden, sehr niederohmigen und einfach ansteuerbaren Schalter mit sehr geringen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten. Er soll zudem robust gegenüber hohen Temperaturen und Überspannungen sein und möglichst über eine sehr schnelle Bodydiode verfügen.
Auf die Effizienzsteigerung in Schaltnetzteilen zielt Infineon mit den 650-V-MOSFETs der CoolMOS-C6/E6-Serie. Sie kombiniert die Vorteile von Superjunction-Bausteinen mit einer einfachen Kontrolle des Schaltverhaltens und hoher Robustheit der leitenden Body-Diode. So zeichnet sich die C6/E6-Serie durch geringe Durchlasswiderstände und reduzierte kapazitive Schaltverluste aus. Während die C6-Bausteine für ein einfaches Implementieren optimiert sind, wurden die E6-MOSFETs für höchste Effizienz ausgelegt. Beide Versionen bieten als Produkte der sechsten Hochvolt-SJ-MOSFET-Generation des Unternehmens eine schnelle und dennoch kontrollierte Schaltperformance für Applikationen, die hohe Effizienz und Leistungsdichte fordern. Besonders geeignet sind sie für Notebook-Adapter, Solar-Stromversorgungen oder andere Schaltnetzteil-Anwendungen, für die eine zusätzliche Ansteuerungsreserve für die Durchbruchspannung entscheidend ist.
Im Vergleich zur CoolMOS-C3-650V-Familie hat Infineon die in der Ausgangskapazität abgespeicherte Energie (Eoss) um bis zu 20 Prozent reduziert. Durch die verbesserte Body-Diode sind die Produkte robuster gegenüber harter Kommutierung und verringern die Sperrverzögerungs-Ladung um 25 Prozent.
Auf Solarinverter, aber auch auf Antriebsappikationen im Bereich von 3 bis 10 kW zielen die Silizium-Karbid-MOSFETs der Z-FET-Serie von Cree. Dabei handelt es sich um 1200V-SiC-MOSFETs für niedrige Amperezahlen. Spezifiziert sind die SiC-MOSFETs für 12 A bei +100 °C. Bei +25 °C zeigt der 1200V-Baustein einen RDS(on) von 160 mΩ. Im Gegensatz zu Silizium-Bausteinen mit ähnlichen Daten, bleibt der RDS(on) über den gesamten Betriebstemperaturbereich unter 200 mΩ. Das reduziert die Schaltverluste in vielen Applikationen um bis zu 50 Prozent!
Im Vergleich zu »Best-in-class«-Silizium-IGBTs steigt der System-Wirkungsgrad durch den Einsatz der SiC-MOSFETs um bis zu 2 Prozent, bei 2- bis 3-dreifacher Schaltfrequenz. Der höhere Wirkungsgrad führt bei den SiC-Bausteinen zu geringerer Wärmeentwicklung. Zusammen mit dem niedrigeren Leckstrom der Bauelemente von weniger als 1 µA spart das nicht nur Platz und Gewicht, es erhöht auch die Zuverlässigkeit des Systems.
Im Vergleich zu bisherigen Silizium-Bausteinen ermöglichen die SiC-Leistungshalbleiter eine höhere Energieeffizienz, niedrigere Schaltzeiten und eine verbesserte Zuverlässigkeit. Insgesamt vereinfacht dies das Systemdesign, kombiniert mit höherer Performance und niedrigeren Kosten. Kombiniert mit SiC-Schottky-Dioden von Cree, lassen sich Schalt- und Stromversorgungssysteme hoher Leistung als reine SiC-Implementierungen realisieren.
Renesas Electronics hat 100A-Hochstrom-Power-MOSFETs auf den Markt gebracht, deren Verlustwerte zu den niedrigsten der Branche gehören. So besitzt der N0413N mit einer Spannungsfestigkeit von 40 V einen On-Widerstand von 2,7 mΩ, und der N0601N mit einer Spannungsfestigkeit von 60 V weist einen On-Widerstand von 3,3 mΩ auf.
Erhältlich sind sechs Versionen der neuen Produkte, mit Spannungsfestigkeiten von 40 bzw. 60 V. Innovative Bestückungstechnologien ermöglichen die Aufnahme großer Ströme bis 100 A. Damit empfehlen sich die Hochstrom-Power-MOSFETs für Motorantriebe in Gebrauchsgütern wie akkumulatorbetriebenen Elektrowerkzeugen, oder E-Bikes.
Auf die Absenkung von Verlusten in ein- und dreiphasigen Gleichstrommotoren zielen die komplementären Dual-MOSFETs DMC4040SSD von Diodes Incorporated. Sie verfügen über N- und P-Kanal-Transistoren, deren RSD(on) aufeinander abgestimmt ist. Damit wird sichergestellt, dass die Gleichstromverluste im Motor ausgeglichen und minimiert werden.
Spezifiziert sind die Bausteine für eine Drain-Source-Spannung von 40 V. Bei einer Gate-Source Spannung von 10 V weisen sie einen RDS(on) von 25 mΩ auf. Ausgelegt für einen Dauerstrom von 6 A, verkraftet der DMC4040SSD Strompulse bis 29 A.
Für ein hohes Drehmoment beim Anlaufen oder einer Blockade des Motors sind damit Ströme nutzbar, die bis zum Fünffachen des Dauerstroms reichen.
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