Anvend MPS-SiC-dioder til at minimere tab i højfrekvens-switch-mode-strømforsyninger

Højfrekvens-switch-mode-kredsløb, som dem til effektfaktorkorrektion (power factor correction/PFC), der bruger kontinuerlig ledningstilstand (continuous conduction mode/CCM), kræver dioder, der har lavt omkoblingstab. For konventionelle siliciumdioder (Si) i CCM-tilstand skyldes disse omkoblingstab diodens efterledningsstrøm på grund af lagret ladning i diodeovergang under slukning. Minimering af disse tab kræver generelt en Si-diode med en større gennemsnitlig gennemgangsstrøm, hvilket fører til en større fysisk størrelse og højere omkostninger.

Siliciumkarbid (silicon carbide/SiC) er et bedre valg i et CCM-PFC-kredsløb, fordi dens efterledningsstrøm er kun af kapacitiv art. Reduceret injektion af minoritetsladningsbæreinjektion i en SiC-enhed betyder, at en SiC-diodes omkoblingstab er tæt på nul. Derudover sænker SiC-dioder, med fusioneret PIN Schottky- (merged PIN Schottky/MPS), diodens fremadspændingsfald, svarende til en konventionel SiC-Schottky-diode. Det minimerer ledningstab yderligere.

Denne artikel diskuterer kort udfordringen med lavt omkoblingstab i CCM-PFC-kredsløb. Derefter introduceres et eksempel på en MPS-enhed fra Vishay General Semiconductor - Diodes Division, og det vises, hvordan den kan anvendes til at minimere tab.

Krav til lavt omkoblingstab

AC/DC-switch-mode-strømforsyninger med en effekt på over 300 watt bruger typisk PFC til at opfylde internationale standarder som IEC61000-4-3, der specificerer reaktiv effekt og linjeharmoniskniveauer. Dioderne, der bruges i en PFC-strømforsyning, især i højfrekvens-switching-strømforsyninger, skal kunne håndtere strømforsyningens nominelle effekt og de relaterede tab, der er forbundet med kredsløbets lednings- og omkoblingsfunktioner. Si-enheder har nævneværdige efterledningstab. Når en Si-diode skifter fra en ledende til en ikke-ledende tilstand, forbliver den ledende, mens ladningsbærer fjernes fra overgangen. Dette resulterer i et betydeligt strømflow i løbet af diodens efterledningstid, som bliver Si-diodens slukningstab.

SiC Schottky-dioders efterledning er begrænset til kapacitiv afladning, som sker hurtigere, hvilket effektivt eliminerer slukningstab. SiC-dioder har et højere fremadspændingsfald, som kan bidrage til ledningstab, men faldet kan kontrolleres. SiC-dioder har også den fordel, at de kan håndtere et højere temperaturområde og hurtigere omkobling. Det højere temperaturområde giver større effekttæthed, hvilket muliggør mindre indkapslinger. Det hurtigere omkobling skyldes Schottky-strukturen og SiC's kortere efterledningstid. Driften ved højere omkoblingsfrekvenser resulterer i mindre induktor- og kondensatorværdier for at forbedre den volumetriske effektivitet i forsyningen.

SiC-MPS-diode

SiC-MPS-dioden kombinerer både Schottky- og PIN-dioders nyttige egenskaber. Strukturen resulterer i en diode med hurtig omkobling, lavt spændingsfald i tændt tilstand, lav lækstrøm i slukket tilstand og gode egenskaber ved høje temperaturer.

En diode med en ren Schottky-overgang giver den lavest mulige fremadspænding, men der er problemer ved høje strømme, som f.eks. overspændingsstrømmene i nogle PFC-anvendelser. MPS-dioder forbedrer ydeevne ved overspændingsstrøm ved at implantere p-doterede områder under Schottky-strukturens metaldriftszone (figur 1). Dette danner en P-ohmisk kontakt med metallet ved Schottky-diodens anode og en P-N-overgang med det let doterede SiC-drift- eller epitaksial-lag.

Figur 1: Her ses en sammenligning af strukturerne i SiC Schottky- (til venstre) og MPS-dioder (til højre). (Billedkilde: Vishay Semiconductor)

Under normale forhold leder MPS-diodens Schottky-struktur næsten hele strømmen, og dioden opfører sig som en Schottky-diode med de tilhørende omkoblingsegenskaber.

I tilfælde af en høj transient overspændingsstrøm stiger spændingen over MPS-dioden ud over tærskelspændingen for den indbyggede P-N-diode, som begynder at lede, hvilket sænker den lokale modstand. Dette afleder strømmen igennem P-N-overgangsregionerne, hvilket begrænser effektafledning og reducerer MPS-diodens termiske belastning. Denne stigning i driftszonens ledningsevne ved en høj strøm holder den fremadspænding på en lav værdi.

SiC-enhedernes overspændingsstrøm kommer fra enhedens unipolære karakter og dens relative høje driftlagsmodstand. MPS-strukturen forbedrer også denne ydeevneparameter og det P-doterede områdes geometriske placering, størrelse og dopingkoncentration påvirker de endelige egenskaber. Det fremadspændingsfald er et kompromis mellem nominel lækstrøm og overspændingsstrøm.

Under spærrespændingen tvinger de P-doterede områder, det samlede område med maksimal feltstyrke nedad og væk fra metalbarrieren med dens imperfektioner og ind i det næsten fejlfrie driftslag, hvilket reducerer den samlede lækstrøm. Det gør det muligt for en MPS-enhed at arbejde ved en højere nedbrudsspænding med samme lækstrøm og driftslagstykkelse.

Vishays MPS-struktur bruger tyndfilmsteknologi, hvor laserudglødning bruges til at fortynde diodestrukturens bagside, hvilket reducerer det fremadspændingsfald med 0,3 volt i forhold til tidligere løsninger. Desuden er diodernes fremadspændingsfald næsten uafhængige af temperaturen (figur 2).

Figur 2: En sammenligning af fremadspændingsfaldet mellem den rene Schottky- (stiplede linjer) og en MPS-diodestruktur (fuldt optrukne linjer) viser, at MPS-dioden opretholder et mere ensartet fremadspændingsfald ved stigende gennemgangsstrøm. (Billedkilde: Vishay Semiconductor)

Dette plot viser fremadspændingen for begge typer dioder som en funktion af gennemgangsstrømmen med temperaturen som parameter. Fremadspændingsfaldet for de rene Schottky-dioder stiger eksponentielt for strømme over 45 ampere (A). MPS-dioden opretholder et mere ensartet fremadspændingsfald ved stigende gennemgangstrøm. Bemærk, at fremadspændingen falder ved stigende temperatur ved højere gennemgangsstrømniveauer i MPS-dioden.

Eksempler på MPS-dioder

Vishays avancerede SiC-MPS-dioder er klassificeret til 1200 volt spidsspærespænding ved en nominel gennemgangsstrømstyrke på 5 til 40 A. For eksempel er VS-3C05ET12T-M3 (figur 3) en diode, der monteres i gennemgående hul i et TO-220-2-kabinet og er klassificeret til en gennemgangsstrøm på 5 A med en fremadspænding på 1,5 volt ved fuld nominel strøm. Diodelækstrømmen er 30 mikroampere (μA), og den er klassificeret til en maksimal overgangstemperatur under driften på +175 °C.

Figur 3: VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS-dioden leveres i en pakke med gennemgående hul og er klassificeret til en gennemgangsstrøm på 5 A med en fremadspænding på 1,5 volt ved den fulde nominelle strøm. (Billedkilde: Vishay Semiconductor)

Denne diodefamilie er det bedste valg til højhastighedshårdomkoblingsanvendelser og tilbyder effektiv drift over et bredt temperaturområde.

MPS-SiC-diode-anvendelser

MPS-dioder anvendes typisk i en lang række switch-mode-effektkredsløb, såsom, DC/DC-omformere, herunder dem, der anvender fuld-bro-faseforskydning (full bridge phase shift/FBPS) og induktor-induktor-kondensator (inductor-inductor-capacitor/LLC) -topologier, der ofte findes i fotovoltaiske anvendelser. En anden almindelig anvendelse er i AC/DC-strømforsyninger med PFC-kredsløb.

Effektfaktoren er forholdet mellem aktiv og tilsyneladende effekt og måler, hvor effektivt indgående strøm bruges i elektrisk udstyr. En effektfaktor på én er ideel. En lavere effektfaktor betyder, at den tilsyneladende effekt er større end den aktive effekt, hvilket medfører en stigning i den strøm, der kræves for at drive en bestemt belastning. Høje spidsstrømme i belastninger med lav effektfaktor kan også forårsage harmoniske oversvingninger på elforsyningslinjen. Energileverandører angiver generelt det tilladte område for brugerens effektfaktor. AC/DC-strømforsyninger kan designes med PFC inkluderet (figur 4).

Figur 4: Her ses et eksempel på et typisk aktivt PFC-trin, der er implementeret i en AC/DC-strømforsyning med en boost-konverter. (Billedkilde: Vishay Semiconductor)

I figur 4 omdanner broensretter B1 indgangsstrømmen fra vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC). MOSFET Q1 er en elektronisk omkobler, der tændes og slukkes af en PFC-IC (ikke vist). Mens MOSFET'en er "tændt", stiger strømmen igennem induktoren lineært. På dette tidspunkt er SiC-dioden forspændt i spærreretning af spændingen på udgangskondensatoren (C_OUT), og SiC-diodens lave, omvendt lækstrøm minimerer lækstrømstab. Når MOSFET'en er "slukket", leverer induktoren en lineært aftagende strøm til C_OUT igennem ensretterdioden med forspændt udgang i lederetning.

I et CCM PFC-kredsløb falder induktorstrømmen ikke til nul i løbet af hele omkoblingscyklussen. CCM-PFC'er er almindelig i strømforsyninger, der leverer flere hundrede watt eller mere. MOSFET-omkobleren er pulsbreddemoduleret (PWM) af PFC-IC'en, så strømforsyningskredsløbets indgangsimpedans virker rent resistiv (en effektfaktor på én), og forholdet mellem spids- og gennemsnitsstrøm, crest-faktoren, holdes lavt (figur 5).

Figur 5: Her vises de øjeblikkelige og gennemsnitlige strømme i et CCM PFC-boostkredsløb. (Billedkilde: Vishay Semiconductor)

I modsætning til de driftstilstande for diskontinuerlige og kritiske strøm, hvor induktorstrømmen når ned på nul, og dioden omkobler i en forspændingsløstilstand, falder induktorstrømmen i et CCM-kredsløb aldrig til nul, så når omkobleren skifter tilstand, er der en induktorstrøm, der ikke er nul. Når dioden skifter til en omvendt tilstand, bidrager efterledningen betydeligt til tabene. Ved at bruge en MPS-SiC-diode elimineres disse tab. Faldet i koblingstab ved brug af MPS SiC-dioden har den fordel, at det reducerer chipstørrelsen og omkostningerne for både dioden og den aktive omkobler.

Konklusion

Sammenlignet med Si giver Vishays MPS-SiC Schottky-dioder højere nominelle gennemgangsstrømstyrker, lavere fremadspændingsfald og nedsat efterledningstab, alt sammen i en mindre indpakning med højere temperaturklassificeringer. Som sådan er de velegnede til brug i switch-mode-strømforsyningsdesigns.