Brug SiGe-ensrettere til højeffektivitet, AC/DC-drift i applikationer med forhøjet temperatur

Indtil for nylig stod ingeniører over for to konventionelle muligheder for de diode-baserede ensrettere i hjertet af deres hurtige omskiftning af AC/DC-strømforsyninger: Schottky-ensrettere eller ensrettere til hurtig genopretning. Schottky-ensrettere tilbyder skift med lavt tab og god effektivitet, men er underlagt termisk løb i design, der er udsat for forhøjede temperaturer såsom LED-forlygter til biler eller elektroniske styreenheder (ECU'er). Hurtige gendannelsesdioder er mere stabile ved højere temperaturer, men er mindre effektive.

Silicium germanium (SiGe) ensrettere giver en ny tredje mulighed og eliminerer mange af kompromiserne fra de andre typer ved at kombinere de bedste egenskaber ved Schottky-ensrettere med enheder til hurtig genopretning. Især SiGe-ensrettere har høj termisk stabilitet, hvilket gør dem til en god mulighed til applikationer med forhøjet temperatur.

Denne artikel vil kort diskutere grundlæggende om ensrettere og dermed forbundne udfordringer, herunder en sammenligning af konventionelle Schottky og hurtige genopretningsrettere. Det viser derefter, hvordan en SiGe-ensretterarkitektur kombinerer fordelene ved begge dele. Brug af eksempler på enheder fra Nexperia vil artiklen derefter skitsere vigtige SiGe-ensretteregenskaber, og hvordan SiGe-enheder kan anvendes til at løse de problemer, der er forbundet med applikationer med høj temperatur, fast-switching, AC/DC.

Grundlæggende om ensrettere

Ensrettere er vigtige kredsløb til strømforsyninger, der bruges til at konvertere en AC-inputspænding til en DC-forsyning, som derefter kan bruges til at forsyne elektroniske komponenter. Selvom der er mange topologier (for eksempel halvbølge- og fuldbølge-ensrettere), er nøglekomponenterne i ensrettere en eller flere dioder.

Den enkleste form for diode er en doteret silicium (Si) pn-forbindelse. Når dioden er forspændt fremad (med den positive terminal på strømkilden tilsluttet s -typesiden af komponenten og den negative til n -typeside) med en tilstrækkelig spænding til at overvinde diodens iboende "barrierepotentiale" eller fremadspændingsfald (hvilket er omkring 0,7 volt for en Si-diode), en stor fremadgående strøm (I_F) strømmer. I_F klatrer derefter i forhold til øget spænding (V_F) fra leveringen. Over barrierepotentialet ligger gradienten af V_F mod I_F kurven der bestemmes stort set af diodens bulkmodstand, men er typisk meget stejl, som vist for Nexperia BAS21H (Figur 1.) Af denne grund er dioden ofte forbundet i serie med en modstand til enhedens overstrømsbeskyttelse.

Figur 1: V_F mod jeg_F karakteristisk for Nexperias BAS21H koblingsdiode. Bemærk, hvordan ledning starter ved cirka 0,7 volt for denne p/n-type Si-diode. (Billedkilde: Nexperia)

Når spændingen vendes (V_R), en tilsvarende lav omvendt lækstrøm (I_R) opstår. Ved lave driftstemperaturer er I_R er ubetydelig, men da det er temperaturafhængigt, kan det ved høje driftstemperaturer blive mere af et problem. Når V_R er stor, går dioden i en lavine-tilstand, og en stor strøm strømmer, ofte tilstrækkelig til permanent at beskadige komponenten. Denne tærskel for omvendt spænding er kendt som nedbrydningsspændingen (V._br). I deres datablade rådgiver producenter typisk en fungerende spids baglæns (V_rmax) som er mindre end V_br for at muliggøre en sikkerhedsmargen (figur 2).

Figur 2: Nøgleparametre er vist for ap / n-type diode VI-kurve, inklusive fremadspænding (V_F ), omvendt strøm (I_R ) og nedbrydningsspænding (V._br ). (Billedkilde: Wikipedia)

I en omskiftningsapplikation er der, når først den omvendte forspænding er vendt, stadig tilstrækkelig ladning på dioden til at muliggøre betydelig strømning i omvendt retning. Denne såkaldte omvendte restitutionstid (t_rr) er et vigtigt designparameter, især til højfrekvente applikationer. Anvendelsen af yderligere doteringsmidler, såsom guld eller platin i p- og n-halvledere, der danner diodeovergangen, forkorter dramatisk t_rr. Såkaldte hurtige gendannelsesdioder, der bruger disse materialer, fungerer ved _rr på et par snesevis af nanosekunder (ns). Afvejningen for denne hurtige skifteydelse er en øget V_F; dette kan typisk stige fra 0,7 til 0,9 volt med et efterfølgende fald i effektivitet. Imidlertid er jeg_R af en hurtig genoprettelsesdiode forbliver ligner en konventionels /n -type Si-diode.

I en praktisk anvendelse tillader diodens egenskaber, at en stor strøm kun kan strømme i en retning, hvilket blokerer den negative halvdel af den sinusformede AC-bølge, hvilket effektivt korrigerer spændingskilden til en DC-forsyning.

Udfordringer med termisk design

I AC/DC-konverteringsapplikationer ser ingeniører generelt efter de mest effektive komponenter til at reducere strømforsyning og begrænse termiske problemer.

V_F er den mest betydningsfulde faktor til bestemmelse af effektiviteten af en diode. Schottky-dioder repræsenterer en forbedring af standarddioder gennem udskiftning af s og n -type Si-krydset med et metal /n -type Si alternativ. Som et resultat reduceres det fremadrettede spændingsfald til mellem 0,15 og 0,45 volt (afhængigt af valget af barriermetal). En yderligere fordel ved Schottky-dioden er meget hurtig t_rr (i størrelsesordenen 100 picosekunder (ps)). Disse egenskaber gør Schottky til et populært ensrettervalg i applikationer såsom højfrekvente switch-mode strømforsyninger.

Men der er betydelige ulemper ved Schottky-ensretteren. For eksempel har den en relativt lav V_rmax sammenlignet med s/n -type Si-dioder. For det andet og måske mere kritisk har Schottky-ensrettere et relativt højt I_R, som kan være så høje som hundreder af mikroampere (µA) sammenlignet med hundreder af nanoampere (nA) fors/n -type Si-dioder i sammenlignelige applikationer. Værre endnu, I_R stiger eksponentielt med junction-temperatur (T_j (Figur 3).

Figur 3: V_R mod jeg_R karakteristisk for Nexperia1PS7xSB70 Schottky-diode til generelle formål. I_R er typisk meget højere end for en ækvivalent p/n-type Si-diode og stiger eksponentielt med temperaturen. (Billedkilde: Nexperia)

Den termiske stabilitet af en diode-baseret ensretter bestemmes af den sarte balance af selvopvarmningen genereret af I_R og ensretterens evne til at sprede varme gennem systemets termiske modstand (figur 4). Hvis ensretteren er i termisk ligevægt, T_j (med en fast omgivelsestemperatur (T_amb) som den termiske "jord") kan beskrives som:

Hvor:

R_{th (ja)} = Den termiske modstand mellem diodekryds og omgivende

P_forsvundet = Strømmen spredt i enheden

Figur 4: Vist er de termiske modstande, der præsenteres for en operationel diode. (Billedkilde: Nexperia)

I drift forudsat at den genererede effekt gennem selvopvarmning er mindre end den spredte effekt, T_j af enheden vil konvergere mod en stabil tilstand (figur 5). Men hvis der genereres mere selvopvarmning, end der kan spredes, kan T_j stiger, indtil enheden til sidst bliver termisk ustabil. Situationen bliver hurtigt til termisk løbsk, fordi I_R øges eksponentielt med temperaturen, hvilket effektivt udløser en positiv feedback-loop.

Figur 5: Den stabile driftstilstand for et eksempel på en diode bestemmes af balancen mellem: det termiske systems evne til at sprede varmen gennem den termiske modstand (blå linje (1)) og ensretterens selvopvarmning forårsaget af dens egen omvendt lækstrøm (I_R ) (og koblingstab) (rød linje (2)). Bemærk, hvordan selvopvarmning stiger eksponentielt, når systemtemperaturen stiger, hvilket resulterer i termisk løb. (Billedkilde: Nexperia)

Designeren har en høj risiko for termisk løb, hvis en Schottky-diode, der anvendes i en applikation, er udsat for høje omgivelsestemperaturer, medmindre dens funktion er væsentligt nedsat ved temperaturer over 145 °C. Af denne grund har ingeniører en tendens til at vige væk fra Schottky-dioden i applikationer som hurtig skiftende LED-drivere eller elektroniske styreenheder under motorhjelmen. Indtil nu forlod ingeniøren kun den hurtige genoprettelsesdiode - som har et lavt I_R og er derfor meget mindre tilbøjelige til termisk løbsk - med den efterfølgende kompromis med lavere effektivitet.

SiGe-ensretteralternativet

Det snævre valg af hurtige gendannelsesdioder til høj temperatur og/eller høj V_rmax design er blevet udvidet med fremkomsten af SiGe-diode-teknologi, der kombinerer fordelene ved Schottky og hurtig gendannelsesdioder i en enkelt enhed. Disse ensrettere erstatter Schottky's barriere metal/n -type Si-krydsning med en baseret på SiGe/n -type Si (figur 6).

Figur 6: SiGe-ensretter erstatter Schottky-metalbarrieren med SiGe. Resultatet er en mindre båndgap, større elektronmobilitet og højere densitet af bærende bærer. (Billedkilde: Nexperia)

Som navnet antyder, er SiGe en legering af silicium og germanium; de vigtigste fordele ved halvlederen er et mindre båndgap (hvor båndgabet er energiforskellen i elektronvolt (eV) mellem halvlederens valensbånd og ledningsbånd), evnen til at skifte ved højere frekvenser, større elektronmobilitet og højere indre ladning bærer tæthed end silicium. Den nedre båndgap af SiGe sænker V_F af Si/n -type SiGe-krydset til ca. 0,75 volt, ca. 150 millivolt (mV) lavere end en hurtig genvindingsdiode.

I praksis er den nedre V_F reducerer diodens ledningstab med omkring 20 procent sammenlignet med en hurtig gendannelsesdiode. Mens komponenteffektivitet er afhængig af flere faktorer, herunder applikationens driftscyklus, kan en ingeniør med rimelighed forvente en forbedring på 5 til 10 procent i lignende applikationer. Derudover har SiGe-dioden et lavere I_R end en Schottky-diode (figur 7).

Figur 7: SiGe-ensrettere har et lavere I_R end Schottky-enheder (til overlegen drift ved høj temperatur) og en lavere V_F end hurtige genopretningsjævnere (for højere effektivitet). (Billedkilde: Nexperia)

På grund af SiGe-diodens høje indre ladningstæthed og elektron/hulmobilitet har den lav t_rr, så det er i stand til hurtig skift. Denne hurtige omskiftning muliggøres også af relativt lav parasitisk kapacitans og induktans. Desuden fordi SiGe-dioden har en lavere omvendt gendannelsesladning (Q_RR) og lavere omvendt gendannelsesstrøm (I_RR) end en sammenlignelig Schottky-ensretter, har den lavere skiftetab. Dette er kritisk, fordi disse skiftetab i højfrekvente applikationer er en stor bidragyder til de samlede tab. Kombinationen af lav I_R og lave skiftetab eliminerer næsten termiske løbende udfordringer.

Valg og anvendelse af SiGe-dioder

Mens SiGe-transistorer har været på markedet i flere år, er SiGe-dioder en nyere ankomst. For eksempel Nexperia's PMEG120G10ELRX,PMEG120G20ELRX ogPMEG120G30ELPJ SiGe-ensrettere er en del af en familie der kommer i størrelse og termisk effektive Clip-bonded FlatPower (CFP3) og CFP5-pakker (Figur 8). Denne pakke er blevet industristandarden for strømdioder.

Figur 8: PMEG120G10ELRX SiGe-ensretter kommer i en CFP5-pakke, der sparer plads og samtidig øger varmeoverførslen. (Billedkilde: Nexperia)

Pakkens solide kobberklips minimerer termisk modstand for at øge varmeoverførslen, hvorved designere kan bruge mere kompakte pc-kortdesign. CFP3 reducerer behovet for ensretterplads med 38 procent, mens CFP5 sparer op til 56 procent sammenlignet med SMA- og SMB-pakker.

Ofte når en ny teknologi introduceres, skal designere være bekymrede over implementeringsvariabler. I tilfælde af Nexperia SiGe-dioder anvendes den samme emballage også til virksomhedens Schottky og hurtige genoprettelsesdioder, hvilket muliggør udskiftning af drop-in til applikationer med høj temperatur, herunder LED-belysning, ECU'er til biler, strømforsyninger til servere og kommunikationsinfrastruktur.

SiGe-ensretterne har en V_rmax op til 120 volt (150 og 200 volt versioner er tilgængelige til prøvetagning), langt ud over den 100 volt grænse, der er pålagt af de fleste Schottky-dioder. Desuden er enhederne blevet testet op til 200 °C uden termisk løb eller nedsættelse (figur 9). Bemærk, at komponentens driftstemperaturgrænse (sikkert driftsområde (SOA)) på 175 °C bestemmes ikke så meget af dioden, men af komponentpakken. Figur 10 viser, hvordan SiGe-diodernes termiske løbende immunitet giver mulighed for et større udvidet sikkert driftsområde sammenlignet med Schottky-dioder.

Figur 9: Nexperia SiGe-ensrettere lider ikke den termiske løb fra Schottky-ensrettere ved høje temperaturer. (Billedkilde: Nexperia)

Figur 10: Termisk løbende immunitet giver mulighed for et udvidet sikkert driftsområde for SiGe-ensrettere sammenlignet med Schottky-ensrettere. (Billedkilde: Nexperia)

Nexperia SiGe-ensrettere tilbyder I_F kapaciteter på 1, 2 og 3 ampere (A) med et lavt I_R på 0,2 nA (V._R = 120 volt (pulserende), T_j = 25 °C), stiger til 10 µA ved forhøjede temperaturer (V_R = 120 volt (pulserende), T_j = 150 °C). Ligesom Schottky-dioder er ensrettere et godt valg til hurtige skiftemuligheder med lave skiftetab og ved_rr på 6 ns. Produkterne er kvalificeret til AEC-Q101.

Konklusion

Schottky-ensrettere er en dokumenteret mulighed for effektive AC/DC-omformere med høj frekvens, men deres relativt høje I_R kan føre til ødelæggende termisk løb i applikationer med høj temperatur. Som et resultat måtte designere ty til lavere effektivitet, men termisk stabile hurtige gendannelsesdioder til deres højtemperaturomskifteromformere.

Som vist er dokumenteret SiGe-teknologi fra transistorer imidlertid gjort kommercielt tilgængelig i dioder. Denne nye enhedsklasse kombinerer Schottkys effektivitet og hurtige skifteegenskaber med termisk stabilitet af hurtige genoprettelsesdioder. Som sådan giver de en god løsning til design, der går ind i miljøer med høj temperatur som LED-belysning, ECU'er til biler, strømforsyninger til servere og kommunikationsinfrastruktur.