Bei Vollbrücken-Invertern mit Frequenzmodulation kann es zu einem MOSFET-Ausfall kommen, wenn er im CCM-Betrieb (Continuous Current Mode) arbeitet. Um einen solchen Ausfall zu vermeiden, sollte der Inverter im CRM-Betrieb (Critical Current Mode) laufen. Nach der Zündung der HID-Lampe wird die Lampenimpedanz äußerst niedrig. Dann arbeitet der Inverter unvermeidlich im CCM-Betrieb, wodurch ein Shoot- Through-Strom auftritt. Um einen Ausfall zu verhindern, werden zusätzliche Freilauf-Dioden (FRD) benötigt. Durch den Einsatz eines UniFET-II-MOSFETs mit robusten Body-Dioden-Eigenschaften und einem sehr geringen maximalen Reverse-Recovery-Strom kommt es nicht zu einem derartigen Bauteilausfall. In diesem Artikel wird dies am Beispiel eines Vollbrücken-Inverters mit Frequenzmodulation für ein HID-Lampenvorschaltgerät aufgezeigt. Um die Eignung zu verifizieren, hat man ein Experiment mit einem Vorschaltgerät für eine 150-W-HID-Lampe für den Innenbereich durchgeführt.
Transienter und stabiler Zustand
Der Betrieb von HID-Lampenvorschaltgeräten lässt sich grundlegend in zwei Bereiche einteilen, den transienten und den stabilen Zustand. Während des transienten Zustands ist die Lampenimpedanz extrem niedrig, wodurch die Spannung an der Lampe sinkt und der Lampenstrom begrenzt wird. Während des Betriebes der Lampe steigt die Lampenimpedanz stetig, dadurch erhöht sich die Lampenspannung und der Betriebsmodus geht vom transienten in den stabilen Zustand, des Weiteren wird der Spitzenwert des Lampenstroms niedriger als Ilimit, was dazu führt das die Lampe in einem Modus mit konstanter Leistung arbeitet. Das Vorschaltgerät in Abbildung 1 zeigt den Inverter mit Frequenzmodulation im HID-Lampenvorschaltgerät. Der Betrieb des Inverters lässt sich in vier Modi einteilen, wobei zwei Modi abwechselnd wiederholt auftreten und sich wie folgt beschreiben lassen. Für einen halben Arbeitszyklus, bleibt der IGBT Q4 eingeschaltet, während der dazugehörige MOSFET Q1 mit hoher Frequenz taktet, MOSFET Q2 und IGBT Q3 sind während dieser Phase ausgeschaltet. Um den Arbeitszyklus zu komplettieren, werden dann im zweiten Schritt Q1 und Q4 abgeschaltet und MOSFET Q2 (taktet) und IGBT Q3 (ON-State) übernehmen dann den Strom im Leistungspfad. Folglich kann die durchschnittliche Lampenspannung über das Tastverhältnis der MOSFETs mit der hohen Frequenz gesteuert werden.Wenn der Zweig mit der hohen Frequenz des Inverters im CCM-Betrieb arbeitet, treten aufgrund der schlechten Reverse-Recovery-Charakteristik der Body-Diode des MOSFETs hohe Stromspitzen sowohl an den High-Side- als auch den Low-Side-Schaltern auf. Dieser hohe Strompegel ist eigentlich kein Shoot-Through-Zustand, aber der Strom sieht genauso aus, weil die Richtung des Stromflusses in den High-Side- und den Low-Side-Schaltern gleich ist. Die hohe Stromspitze kann den internen parasitären Bipolar-Transistor (BJT) in der MOSFET-Struktur triggern. Sobald der parasitäre BJT durchschaltet, bildet sich ein Hotspot, in dem aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten sich mehr Strom konzentriert, der schließlich zu einer starken punktuellen Erhitzung des Halbleiters und letztendlich zu einem Bauteilausfall führt. Eine gängige Lösung hierfür ist der Einsatz einer Sperrdiode, um das Leiten der Body-Diode zu verhindern und zusätzliche Freilauf-Diode über dem MOSFET, um den Spitzenstrom zu reduzieren. In Abbildung 1 sind D1 und D3 Sperrdioden, die einen niedrigen Vf erfordern, und D2 und D4 sind Freilauf-Dioden, die schnelle Recovery-Charakteristik benötigen. Diese Dioden sind unvermeidlich, um einen Ausfall zu verhindern, führen jedoch zu höheren Systemkosten und Verlusten sowie zu einem komplexeren Schaltaufbau.
Die neueste MOSFET-Technologie
Die Reverse-Recovery-Charakteristik der intrinsischen Dioden von MOSFETs ist im Vergleich zu diskreten Fast Recovery Diodes (FRDs) deutlich schlechter - die Body-Diode von Power-MOSFETs hat eine sehr lange Reverse-Recovery-Zeit und eine hohe Reverse-Recovery-Ladung. Um ein optimierteres Verhalten der Body-Dioden zu erreichen, hat man eine optimierte UniFET-II-MOSFET-Familie entwickelt. Bei dieser neuen Generation wurde die Robustheit der Body-Diode verbessert und gleichzeitig die im Ausgangskondensator COSSgespeicherte Energie EOSSverringert, während gleichzeitig negative Effekte, wie die Zunahme des Durchlasswiderstands RDSON, minimiert wurde. Besonders der maximale zulässige Reverse-Recovery-Strom Irrwurde so verbessert, dass kein Bauteilausfall mehr vorkommt. Außerdem ist die dv/dt-Immunität der Diode mehr als doppelt so hoch als bei normalen MOSFETs. Damit kann das Bauteil dem doppelten Stromstress während des Durchbruchs im Dv/dt-Modus widerstehen. Abbildung 2 zeigt das Reverse-Recovery-Verhalten der UniFET-II-MOSFET-Familie (FDPF8N50NZ) im Vergleich zu einem konventionellen MOSFT (FQPF9N50C) und einer diskreten Fast-Recovery-Diode (BYV28X-500). Dabei wird deutlich, dass die Reverse-Recovery-Charakteristik der UniFET-II-MOSFET-Familie der eines konventionellen MOSFET und sogar von FRDs klar überlegen ist.
Leistungstest im Vorschaltgerät
Um die Eignung der UniFET-II-MOSFET-Familie zu überprüfen, hat man ein Experiment mit einem Vorschaltgerät für 150-W-HID-Lampen zum Einsatz in Innenräumen mit einem derartigen Inverter vorgenommen. Die Inverterschaltung des Vorschaltgeräts ist die gleiche wie in Abbildung 1. Der Leistungspfad der Halbleiter mit niedriger Frequenz besteht aus zwei IGBTs mit einer Arbeitsfrequenz von 60 bis 120 Hz. Die Betriebsfrequenz des anderen Pfades liegt zwischen 30 und 110kHz. Der Vergleich des Shoot-Through-Stroms zwischen der konventionellen Lösung mit normalen MOSFETs und FRDs sowie der UniFET-II-MOSFET-Familie hat ergeben: Bei der konventionellen Lösung wurde der Scheitelwert des Reverse-Recovery-Stromes mit 11,44 A gemessen. Dagegen erreicht der Scheitelwert des Reverse-Recovery-Stroms bei der UniFET-II-MOSFET-Familie nur 10,48 A, also einer Verringerung um 8 Prozent.
Fazit
Die UniFET-II-MOSFET-Familie bietet eine optimierte Reverse-Recovery-Charakteristik der intrinsischen Diode sowie eine schnelle Erholungszeit und kleinere Reverse-Recovery-Ladung. Deswegen können die vier zusätzlichen Leistungsdioden (siehe Abbildung 1, D1, D2, D3, D4) entfallen, die ansonsten notwendig sind, um einen Ausfall bei einem Invertersystem mit gemischtem Frequenz-Betrieb zu vermeiden. Das Experiment hat gezeigt, dass die UniFET-II-MOSFET-Familie nicht nur die Systemzuverlässigkeit bei Invertern mit Frequenzmodulation verbessert, sondern sich durch den Wegfall der zusätzlichen Dioden auch Platz auf der Leiterplatte, Verluste in den zusätzlichen Leistungshalbleitern und Herstellungskosten einsparen lassen.
