MOSFET Body-Diode Qrr verursacht zu hohe Umstaltverluste

[Weinga U. (weinga-unity)]

Hallo Kollegen!

Vielleicht kann mir der eine oder andere einen Hinweis zur folgenden 
Herausforderung geben:

Ich versuche einen Buck-Converter für höhere Leistungen (bis zu 500W 
Spitze) zu bauen und habe im Zuge eine Menge gelernt und konnte rein 
durch richtige Anordnung, Leiterbahnführung und Abzweigung der GND 
Potentiale an den richtigen Stellen auf einem Lochraster mit diskreten 
Komponenten sehr gute Signalverläufe (kein Klingeln von Vds, 0 auf 100V 
in 55nS und einen sehr soliden Vgs Verlauf) erziehlen. Dabei braucht man 
sich eigentlich nur U=L*d/dt i(t) für jeden Track überlegen und dies 
verhindern bzw. geziehlt einsetzen.

Ich möchte mich eigentlich jetzt nicht auf einen speziellen Baustein 
versteifen, sondern per "Design" die Probleme in den Griff bekommen 
indem ich sie verstehe und erst gar nicht im Design die Fehler mache.

Rahmenbedingung: Buck-Converter
 - Eingangssspannung kann über 100V sein. 200V MOSFET Typen sind Einsatz
 - Qrr ca. 500nC

Nach einer Simulation müsste der meiste Leistungsverlust beim Umladen 
der leitenden low-side Body-Diode (Qrr) passieren, da hier ein sehr 
hoher Strom bei 100V fließt.

Folgender Ansatz ist mir bewusst:
 - Gate Widerstand erhöhen --> dafür langsameres d/dt Vds(t) und höhere 
Verluste beim Umschalten

Kann noch jemand einen anderen Hinweis geben, wie man dieses Qrr Problem 
(hoher Strom bei gleichzeitig hoer Spannung) in den Griff bekomment, 
indem man die Physik richtig einsetzt?

Z.B. verwenden manche Vorwärtswandler 2 entgegensetzte Wicklungen auf 
der Primärseite, um einerseits 2 LOW-Side MOSFETs zu werden und 
andererseits sind die MOSFETs nicht direkt gegenübergestellt, wobei ich 
mir denke, dass das Trafoprinzip U1=k*U2 diese ja wieder direkt 
verbindet.

Bin gespannt auf Antworten.

mfg, Weinga-Unity
http://bioe.sourceforge.net

[Mine Fields (Gast)]

Du kannst mal probieren, die Body-Diode durch eine zum MOSFET in Reihe 
geschaltete Diode außer Kraft zu setzen und darüber dann eine 
Schottky-Diode parallel zu Schalten. Damit ist nur noch die 
Schottkydiode im Freilauf wirksam, und die hat im Prinzip kein Qrr.

Dafür kannst du die Rückwärtsleitfähigkeit des FET nicht mehr nutzen und 
du hast durch die Reihen-Diode höhere Durchlassverluste.

[Weinga U. (weinga-unity)]

Danke für die Antwort!

Diese Schaltung ist mir ebenfalls erst vor kurzer Zeit untergekommen, 
jedoch verstehe ich die sinnhaftigkeit nicht. Beim Low-Side kann man 
normal auch nur eine Diode nehmen. Um die Verluste bei hohen Strömen zu 
vermeiden setzt man einen MOSFET ein.

Die von dir beschriebene Schaltung führt nun diese Diode wieder ein 
(Verluste bei hohen Strömen) und verwendet dann die Schottky-Diode 
(gibts eher für <60V, ich habe aber >100V).

Wenn ich mir das recht überlege, hat diese Lösung die selben Verluste 
wie eine Lösung mit nur einem MOSFET und einer Low-Side Freilaufdiode, 
jedoch kann sie auch als Spannungs-/Stromsenke verwendet werden (solange 
die eingeführte Längsdiode noch leiten kann).

[Mine Fields (Gast)]

Ohne die Diode funktioniert es nicht, weil dann immer noch die Bodydiode 
wirkt und damit auch der Qrr bleibt.

Bei einem Schaltregler, der auch mit einfacher Diode funktioniert, 
bringt es dann möglicherweise nichts. Die Variante wird dann eher 
gebraucht, wenn man den unteren Transistor tatsächlich braucht (bei 
einem 4-Quadrant-Steller zum Beispiel).

Ansonsten muss man mit dem Effekt eben leben. Man kann natürlich etwas 
mit der Schaltgeschwindigkeit spielen und schauen, ob man ein Optimum 
findet, bei dem die Summe aller Schaltverluste inkl. Reverse Recovery 
ein Minimum hat.

Oder man versucht sich an Galliumnitrid.

[Weinga U. (weinga-unity)]

Hallo Mine Fields.

GaN hört sich ja interessant an und die Papers sind ja vielversprechend, 
nur habe ich keinen MOSFET zum Bestellen gefunden. Kann das sein, dass 
man diese noch nicht bekommt (eine etwas blöde Frage)?

Eine kurze Rechnung hat ergeben, dass Qrr eine definierte 
Verlustleistung von P_qrr=Us*Qrr*fswitch zur Folge hat. D.h. wegen Qrr 
kann man nichts mehr optimieren da man nur mehr an fswitch drehen kann. 
Wenn da ein Fehler vorliegt, bitte korregiert mich.

Annahme des Stromverlaufes bei Qrr Umladung:

$$i(t)=k\,t$$

Rechnung:

$$Q_{rr}=\int_0^t i(\tau)\,\mathrm{d}\tau=\left.\dfrac{k}{2}\,\tau^2\right|_0^t=\dfrac{k}{2}\,t^2\quad\rightarrow\quad t=\sqrt{\dfrac{2\,Q_{rr}}{k}}$$

$$E_{rr}=\int_0^t i(\tau)\,U_s\,\mathrm{d}\tau=U_s\,\underbrace{\dfrac{k}{2}\,t^2}_{Q_{rr}}=U_s\,Q_{rr}$$

$$P_{rr}=\dfrac{E_{rr}}{T_{cycle}}=U_s\,Q_{rr}\,f_{switch}$$

[Mine Fields (Gast)]

Die Berechnung der Verlustleistung müsste richtig sein.

Man kann tatsächlich nur sehr wenig daran drehen. Ich glaube kaum, dass 
man bei klassischen Silizium noch großartig Möglichkeiten hat, die Qrr 
der Bodydiode zu reduzieren. Neue Materialien wären dann noch ein 
Ausweg.

Bei Digikey werden einige GaN-MOSFET von EPC gelistet. Aber leider mit 
Lagerbestand 0.