Hochvolt-Leistungstransistoren für Highend-Stromversorgungen

Infineons neue Hochvolt-Leistungstransistoren für Highend-Stromversorgungen bieten weltweit niedrigsten Durchlasswiderstand und schnellste Schaltgeschwindigkeit

Die Infineon Technologies AG hat anlässlich der „2005 Applied Power Electronics Conference“ (APEC) seine neuen Leistungstransistoren der Serie CoolMOS™ CS Server vorgestellt. Diese wurden speziell für den Einsatz in Stromversorgungen in Computer-Servern und anderen Highend-Anwendungen wie Telekommunikationssystemen und Flachbildschirmen entwickelt. Die von Stromversorgungen erzeugte Wärme abzuführen, erfordert derzeit kostspielige Vorkehrungen. Infineons neue Leistungstransistor-Familie ermöglicht Stromversorgungs-Designs, die kleiner und effizienter sind und erheblich weniger Wärme als bisher erzeugen.

Infineon ist es gelungen, das so genannte „Silicon Limit“, das die Grenzwerte der physikalischen Materialeigenschaften von Silizium beschreibt, zu überwinden. Damit bieten die Transistoren der neuen CoolMOS™ CS Server-Familie nicht nur den weltweit niedrigsten Durchlasswiderstand von 99 mΩ im Standard-TO220-Gehäuse oder 45 mΩ im Standard-TO247-Gehäuse, sondern auch die industrieweit schnellste Schaltgeschwindigkeit von 150 Volt pro Nanosekunde und ein Sperrvermögen von 600 Volt.

„Unsere jüngste Hochvolt-Leistungs-MOSFET-Generation macht Schaltnetzteile wesentlich effizienter, kompakter und weltweit leichter einsetzbar“, sagte Gerhard Wolf, Marketingleiter, Power Management bei Infineon Technologies North America Corp. „Beim heute stetig steigenden Energieverbrauch ist der intelligente und effiziente Einsatz von elektrischer Leistung ein Muss.“

Infineon zeigt auf der APEC ein 1000-Watt-Referenzdesign für eine Server-Stromversorgung mit einem 99-mΩ-CoolMOS-CS-Leistungstransistor. Im Vergleich zu Stromversorgungen, die zwei parallel geschaltete Standard-250-mΩ-MOSFETs verwenden, hat das Referenzdesign eine um 1,5 Prozent höhere Energie-Effizienz. Diese führt zu einer Verringerung der Systemkosten um mehr als zehn Prozent pro Watt. Darüber hinaus ermöglicht sie Designern, kleinere Formfaktoren für das System zu realisieren. Infineon zeigt außerdem ein Design für eine 1500-Watt-Leistungsfaktorkorrektur, das mit dem Leistungstransistor 99-mΩ-CoolMOS-CS eine 99-prozentige Energie-Effizienz erzielt – ein Industrierekord.

Zum „Silicon Limit“

Der ideale Hochvolt-Schalter (MOSFET) für den Einsatz in einer Stromversorgung sollte keinen Widerstand aufweisen, wenn Strom fließt. Umgekehrt sollte er im Sperrzustand eine unendlich hohe Spannung sperren und jegliches Durchfließen von Elektrizität verhindern. Die Erfüllung beider Forderungen ist so gut wie unmöglich. Eine Verdoppelung des Spannungssperrvermögens führt üblicherweise zu einem Anstieg des Durchlasswiderstands um den Faktor Fünf – gemäß einem physikalischen Gesetz, das als „Silicon Limit“ bezeichnet wird.

Die Entwickler von Infineon haben diese grundlegende Barriere durch ein raffiniertes Design ihrer Hochvolt-CoolMOS-Schalterfamilie überwunden. „Um so nahe wie möglich an den Null-Widerstand heranzukommen, haben wir dem Baustein für die Stromleitung mehr und mehr Ladung hinzugefügt“, sagte Dr. Gerald Deboy, Leiter des technischen Marketings für diskrete Hochvolt-Bausteine bei Infineon Technologies. „Diese Ladung wurde dann durch die exakt gleiche entgegengesetzte Ladungsmenge ausgeglichen. Die beiden Ladungen sind im Baustein durch eine sehr raffinierte Methode örtlich getrennt. Wir haben eine Struktur mit einer sehr feinen Teilung erhalten. Je feiner diese Teilung ist, umso niedriger ist der Durchlasswiderstand. Mit jeder CoolMOS-Generation erhöhen wir den Feinheitsgrad der Teilung und kommen näher an den Punkt mit Null-Widerstand, ohne das Spannungssperrvermögen zu verlieren.“

Weitere technische Merkmale der Serie CoolMOS CS Server

Bei einem Sperrvermögen von 600 Volt bietet die CoolMOS CS Server Serie den niedrigsten Durchlasswiderstand in jedem ihrer Gehäuse. Dies ermöglicht es Designern, die Leitungsverluste von Stromversorgungsdesigns zu verringern, was wiederum die Energie-Effizienz steigert. Höhere Energie-Effizienz erlaubt es, die Systemkosten pro Watt zu verringern und gleichzeitig entweder die Stromversorgungen kleiner und kompakter zu machen oder ohne Veränderung des thermischen Designs die Ausgangsleistung des Systems zu steigern.

Zusätzlich zu den niedrigen Leitungsverlusten ist die Schaltgeschwindigkeit sehr hoch, was wiederum die Schaltverluste des Systems erheblich reduziert. Aufgrund dieser schnellen Schaltgeschwindigkeit können heutige komplexe Resonanz-Stromversorgungsarchitekturen durch einfache, leicht zu entwickelnde „hart schaltende“ Schaltnetzteile ersetzt werden. Zudem kommt die neue CoolMOS CS Server Serie mit einer sehr niedrigen Gate-Steuerleistung aus, was den Einsatz von Standard-ICs und Gate-Ansteuerungen mit niedrigem Spitzenstrom gestattet. Dadurch dass in einer Stromversorgung die Kosten und die Abmessungen der passiven Komponenten abnehmen, sind preiswertere und kompaktere Systeme möglich.

Verfügbarkeit, Gehäuse und Preis

Die ersten Produkte der CoolMOS CS Server Serie sind Bausteine mit 45 mΩ im TO247-Gehäuse sowie mit 99 mΩ im TO220- und TO247-Gehäuse. Muster sind ab April 2005 erhältlich, der Beginn der Volumenproduktion ist für Mai 2005 geplant. Der Preis für einen 99-mΩ-Baustein im TO220-Gehäuse beträgt weniger als 4,00 Euro bei Abnahme von mehr als 10.000 Stück.