Wykorzystanie węglikowo-krzemowej (SiC) diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) do minimalizacji strat w zasilaczach impulsowych wysokiej częstotliwości

Obwody impulsowe wysokiej częstotliwości, takie jak obwody do korekcji współczynnika mocy (PFC) korzystające z trybu ciągłego przewodzenia (CCM), wymagają diod o niskich stratach przełączania. W przypadku konwencjonalnych diod krzemowych (Si) pracujących w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) straty przełączania wynikają z prądu wstecznego regeneracji diody, spowodowanego ładunkiem zmagazynowanym w złączu diody podczas wyłączania. Minimalizacja tych strat zazwyczaj wymaga diody krzemowej o wyższym średnim prądzie przewodzenia, co prowadzi do większych rozmiarów fizycznych i wyższych kosztów.

Dioda węglikowo-krzemowa (SiC) jest lepszym wyborem w obwodzie korekcji współczynnika mocy (PFC) z trybem ciągłego przewodzenia (CCM), ponieważ jej wsteczny prąd regeneracji ma wyłącznie charakter pojemnościowy. Zmniejszone wstrzykiwanie nośnika mniejszościowego w urządzeniu węglikowo-krzemowym (SiC) oznacza, że straty przełączania w diodzie węglikowo-krzemowej (SiC) są bliskie zeru. Ponadto węglikowo-krzemowe (SiC) diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) zmniejszają spadek napięcia w kierunku przewodzenia urządzenia, podobnie jak w przypadku konwencjonalnej węglikowo-krzemowej (SiC) diody Schottky’ego. To dodatkowo minimalizuje straty przewodzenia.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce wyzwania związane z przełączaniem niskostratnym w obwodach korekcji współczynnika mocy (PFC) z trybem ciągłego przewodzenia (CCM). Dodatkowo przedstawiono przykładową diodę o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) firmy Vishay General Semiconductor - Diodes Division i pokazano, w jaki sposób można ją zastosować w celu zminimalizowania strat.

Wymagania dotyczące przełączania niskostratnego

Zasilacze impulsowe prądu zmiennego-stałego o mocy znamionowej powyżej 300W zwykle wykorzystują korekcję współczynnika mocy (PFC), aby pomóc w spełnieniu międzynarodowych norm, takich jak IEC61000-4-3, które określają moc bierną i poziomy harmonicznych linii. Diody stosowane w zasilaczach z korekcją współczynnika mocy (PFC), zwłaszcza w zasilaczach przełączających działających z wysoką częstotliwością, muszą być w stanie obsłużyć moc znamionową zasilacza i związane z tym straty wiążące się z przewodzeniem i przełączaniem w obwodzie. Urządzenia krzemowe (Si) charakteryzują się zauważalnymi stratami regeneracji wstecznej. Gdy dioda krzemowa (Si) przechodzi ze stanu przewodzenia do stanu nieprzewodzenia, nadal przewodzi, gdy nośniki ładunku są usuwane ze złącza. Powoduje to znaczny przepływ prądu przez czas regeneracji wstecznej diody. Przepływ ten staje się stratami wyłączania diody krzemowej (Si).

Regeneracja wsteczna węglikowo-krzemowych (SiC) diod Schottky'ego jest ograniczona do rozładowania pojemnościowego, które zachodzi szybciej, co skutecznie eliminuje straty wyłączania. Diody węglikowo-krzemowe (SiC) mają wyższy spadek napięcia w kierunku przewodzenia, co może przyczyniać się do strat przewodzenia, ale spadek ten można kontrolować. Diody węglikowo-krzemowe (SiC) mają również tę zaletę, że wytrzymują wyższy zakres temperatur i wykazują się szybszym przełączaniem. Wyższy zakres temperatur pozwala uzyskać większą gęstość mocy i mniejsze obudowy. Szybsze przełączanie wynika ze struktury Schottky'ego i krótszego czasu regeneracji wstecznej węglika krzemu (SiC). Praca przy wyższych częstotliwościach przełączania skutkuje mniejszymi wartościami cewek indukcyjnych i kondensatorów, co poprawia sprawność wolumetryczną zasilania.

Węglikowo-krzemowa (SiC) dioda o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS)

Węglikowo-krzemowa (SiC) dioda o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) łączy w sobie użyteczne cechy diod Schottky'ego i diod PiN. Struktura ta pozwala uzyskać diodę charakteryzującą się szybkim przełączaniem, niskim spadkiem napięcia w stanie włączonym, niskim upływem w stanie wyłączonym i dobrą charakterystyką w wysokich temperaturach.

Dioda wykorzystująca samo złącze Schottky'ego oferuje najniższe możliwe napięcie przewodzenia, ale narażona jest na problemy przy wysokich prądach, takich jak prądy udarowe w niektórych zastosowaniach korekcji współczynnika mocy (PFC). Diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) mają lepsze parametry prądu udarowego dzięki domieszkowaniu typu p poniżej metalowej strefy dryfu struktury Schottky'ego (ilustracja 1). Tworzy to kontakt p-omowy z metalem na anodzie diody Schottky'ego i złącze p-n z lekko domieszkowaną węglikowo-krzemową (SiC) warstwą dryfu lub warstwą epitaksjalną.

Ilustracja 1: porównanie struktur diod węglikowo-krzemowych (SiC): diody Schottky’ego (po lewej) i diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) (po prawej). (Źródło ilustracji: Vishay Semiconductor)

W normalnych warunkach struktura Schottky'ego diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) przewodzi prawie cały prąd, a sama dioda zachowuje się jak dioda Schottky'ego, z jej typową charakterystyką przełączania.

W przypadku wysokiego prądu udarowego w stanie nieustalonym napięcie na diodzie o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) wzrasta powyżej napięcia progowego wbudowanej diody PiN, która zaczyna przewodzić, obniżając lokalną rezystancję. Powoduje to przekierowanie prądu przez obszary złącza p-n, ograniczając straty mocy i zmniejszając obciążenie termiczne w diodzie o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS). Ten wzrost przewodności strefy dryfu przy wysokim prądzie utrzymuje napięcie przewodzenia na niskim poziomie.

Parametry prądów udarowych urządzeń węglikowo-krzemowych (SiC) wynikają z unipolarnego charakteru urządzenia i jego stosunkowo wysokiej rezystancji warstwy dryfu. Dioda o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) również poprawia ten parametr działania, a na końcową charakterystykę wpływa geometryczne rozmieszczenie, rozmiar i stężenie domieszek w obszarze domieszkowanym typu p. Spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest kompromisem pomiędzy znamionowym prądem upływu i znamionowym prądem udarowym.

W warunkach polaryzacji zaporowej obszary domieszkowane typu p kierują cały obszar maksymalnego natężenia pola w dół i z dala od metalowej bariery, wraz z jego niedoskonałościami, do prawie wolnej od wad warstwy dryfu, zmniejszając w ten sposób ogólny prąd upływu. Dzięki temu urządzenie o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) może pracować przy wyższym napięciu przebicia przy tym samym prądzie upływu i tej samej grubości warstwy dryfu.

Struktura złożona z diody PiN oraz diody Schottky’ego (MPS) firmy Vishay wykorzystuje technologię cienkowarstwową, w której do pocienienia tylnej części struktury diody stosuje się wyżarzanie laserowe, co zmniejsza spadek napięcia w kierunku przewodzenia o 0,3V w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami. Ponadto spadki napięcia diod w kierunku przewodzenia są niemal niezależne od temperatury (ilustracja 2).

Ilustracja 2: porównanie spadków napięcia w kierunku przewodzenia klasycznej diody Schottky'ego (linie przerywane) oraz struktury złożonej z diody PiN oraz diody Schottky’ego (MPS) (linie ciągłe) pokazuje, że dioda MPS utrzymuje bardziej stały spadek napięcia w kierunku przewodzenia wraz ze wzrostem prądu przewodzenia. (Źródło ilustracji: Vishay Semiconductors)

Ten wykres przedstawia napięcie przewodzenia obu typów diod w funkcji prądu przewodzenia z parametrem temperatury. Spadki napięcia w kierunku przewodzenia dla klasycznych diod Schottky'ego rosną wykładniczo dla prądów powyżej 45A. Dioda o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) utrzymuje stały spadek napięcia w kierunku przewodzenia wraz ze wzrostem prądu przewodzenia. Należy zauważyć, że w diodzie o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) napięcie przewodzenia spada wraz ze wzrostem temperatury dla wyższych poziomów prądu przewodzenia.

Przykłady diod o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS)

Zaawansowane węglikowo-krzemowe (SiC) diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) firmy Vishay charakteryzują się znamionowym napięciem szczytowym w polaryzacji zaporowej wynoszącym 1200V i znamionowym prądem przewodzenia od 5 do 40A. Na przykład dioda do montażu przewlekanego VS-3C05ET12T-M3 (ilustracja 3) w obudowie TO-220-2 charakteryzuje się prądem znamionowym 5A, napięciem przewodzenia wynoszącym 1,5V przy pełnym prądzie znamionowym. Zaporowy prąd upływu diody wynosi 30μA, a maksymalna temperatura robocza złącza wynosi +175°C.

Ilustracja 3: węglikowo-krzemowa (SiC) dioda o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) VS-3C05ET12T-M3 jest dostarczana w obudowie do montażu przewlekanego, jej znamionowy prąd przewodzenia wynosi 5A, a napięcie przewodzenia 1,5V przy pełnym prądzie znamionowym. (Źródło ilustracji: Vishay Semiconductor)

Ta grupa diod stanowi najlepszy wybór w zastosowaniach wymagających szybkiego i twardego przełączania, zapewniając sprawną pracę w szerokim zakresie temperatur.

Zastosowania węglikowo-krzemowych (SiC) diod o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS)

Diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) są zwykle stosowane w szerokiej gamie obwodów zasilania impulsowego, takich jak przetwornice prądu stałego, również w układach z topologią pełnomostkową z przesunięciem fazowym (FBPS) i topologią LLC (cewka, cewka, kondensator), powszechnie spotykanych w zastosowaniach fotowoltaicznych. Innym powszechnym zastosowaniem są zasilacze prądu zmiennego-stałego wykorzystujące obwody korekcji współczynnika mocy (PFC).

Współczynnik mocy jest stosunkiem mocy czynnej do mocy pozornej i określa sprawność wykorzystania dopływającej energii w urządzeniach elektrycznych. Idealny współczynnik mocy wynosi jeden. Niższy współczynnik mocy oznacza, że moc pozorna jest większa od mocy czynnej, co powoduje wzrost prądu wymaganego do sterowania określonym odbiornikiem. Wysokie prądy szczytowe w odbiornikach o niskich współczynnikach mocy mogą również powodować harmoniczne w linii zasilającej. Dostawcy energii zwykle określają dopuszczalny zakres współczynnika mocy użytkownika. Zasilacze prądu zmiennego-stałego mogą być zaprojektowane z uwzględnieniem korekcji współczynnika mocy (PFC) (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przykładowy aktywny stopień korekcji współczynnika mocy (PFC) zaimplementowany w zasilaczu prądu zmiennego-stałego z przetwornicą podwyższającą. (Źródło ilustracji: Vishay Semiconductor)

Mostek prostownikowy B1 na ilustracji 4 zamienia wejściowy prąd zmienny na prąd stały. Tranzystor MOSFET Q1 jest przełącznikiem elektronicznym włączanym i wyłączanym przez układ scalony korekcji współczynnika mocy (PFC IC) (nie pokazano). Gdy tranzystor MOSFET jest włączony, prąd płynący przez cewkę indukcyjną wzrasta liniowo. W tym momencie dioda węglikowo-krzemowa (SiC) jest spolaryzowana zaporowo przez napięcie na kondensatorze wyjściowym (C_OUT), a niski wsteczny prąd upływu diody węglikowo-krzemowej (SiC) minimalizuje straty upływu. Gdy tranzystor MOSFET jest wyłączony, cewka indukcyjna dostarcza liniowo malejący prąd do kondensatora wyjściowego C_OUT przez spolaryzowaną w kierunku przewodzenia wyjściową diodę prostowniczą.

W obwodzie korekcji współczynnika mocy (PFC) z trybem ciągłego przewodzenia (CCM) prąd cewki indukcyjnej nie spada do zera podczas całego cyklu przełączania. Układy korekcji współczynnika mocy (PFC) z trybem ciągłego przewodzenia (CCM) są powszechne w zasilaczach o mocy kilkuset watów i większej. Przełącznik w postaci tranzystora MOSFET pracuje w trybie modulacji szerokości impulsów (PWM) realizowanej przez układ scalony korekcji współczynnika mocy (PFC IC), dzięki czemu impedancja wejściowa obwodu zasilania wydaje się być czysto rezystancyjna (współczynnik mocy równy jeden), przy czym zachowany jest niski stosunek prądu szczytowego do średniego, czyli współczynnik grzbietu (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przedstawiono prądy chwilowe i średnie w obwodzie podwyższającym korekcji współczynnika mocy (PFC) z trybem ciągłego przewodzenia (CCM). (Źródło ilustracji: Vishay Semiconductor)

W przeciwieństwie do nieciągłych i krytycznych trybów pracy, w których prąd cewki indukcyjnej osiąga zero, a dioda przełącza się w stanie niespolaryzowanym, prąd cewki indukcyjnej w obwodzie z trybem ciągłego przewodzenia (CCM) nigdy nie spada do zera, więc gdy przełącznik zmienia stan, występuje niezerowy prąd cewki indukcyjnej. Gdy dioda przechodzi w stan polaryzacji zaporowej, regeneracja wsteczna ma znaczny udział w stratach. Zastosowanie węglikowo-krzemowej diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS SiC) eliminuje te straty. Zmniejszenie strat przełączania dzięki zastosowaniu węglikowo-krzemowej (SiC) diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) przynosi korzyści w postaci zmniejszenia rozmiarów mikroukładu i kosztów zarówno diody, jak i przełącznika aktywnego.

Podsumowanie

W porównaniu z diodami krzemowymi, węglikowo-krzemowe (SiC) diody o scalonej strukturze złożonej z diody PiN oraz diody Schottky'ego (MPS) firmy Vishay oferują wyższy znamionowy prąd przewodzenia, niższe spadki napięcia w kierunku przewodzenia i mniejsze straty regeneracji wstecznej, a wszystko to w mniejszej obudowie i przy wyższych temperaturach znamionowych. W związku z tym są odpowiednie do użycia w projektach zasilaczy impulsowych.