Zastosowanie prostowników SiGe z myślą o uzyskaniu wysokiej sprawności, konwersja prądu zmiennego na stały w zastosowaniach o podwyższonych temperaturach

Do niedawna inżynierowie w swoich szybko przełączających zasilaczach prądu zmiennego/stałego stosowali jeden z dwóch konwencjonalnych wariantów prostowników diodowych: prostowniki Schottky'ego lub prostowniki z diodami szybkimi. Prostowniki Schottky'ego zapewniają przełączanie z niskimi stratami i dobrą sprawnością, ale w konstrukcjach narażonych na podwyższone temperatury, takich jak samochodowe reflektory LED lub sterowniki elektroniczne (ECU), ulegają niekontrolowanemu wzrostowi temperatury. Diody szybkie są bardziej stabilne w wyższych temperaturach, ale mają mniejszą sprawność.

Trzecią opcję stanowią prostowniki krzemowo-germanowe (SiGe), które eliminują wiele wad widocznych w innych typach urządzeń i łączą w sobie najlepsze cechy prostowników Schottky'ego oraz prostowników z diodami szybkimi. W szczególności prostowniki SiGe charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną, co czyni je dobrym rozwiązaniem do zastosowań w podwyższonych temperaturach.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono podstawy prostowników i związane z nimi wyzwania, w tym porównano konwencjonalne prostowniki Schottky'ego i prostowniki z diodami szybkimi. Dalej pokazano, w jaki sposób architektura prostownika SiGe łączy zalety dwóch pozostałych wspomnianych wcześniej typów prostowników. Na przykładzie urządzeń firmy Nexperia w artykule przedstawiono zarys kluczowych charakterystyk prostowników SiGe oraz sposoby wykorzystania urządzeń SiGe do rozwiązywania problemów związanych z szybkim przełączaniem w wysokich temperaturach w zastosowaniach wiążących się z konwersją prądu zmiennego na stały.

Podstawy prostowników

Prostowniki są podstawowymi obwodami zasilaczy, które służą do konwersji napięcia wejściowego prądu zmiennego na napięcie prądu stałego, które można następnie wykorzystać do zasilania komponentów elektronicznych. Chociaż istnieje wiele topologii (na przykład prostowniki półokresowe i pełnookresowe), kluczowymi komponentami prostowników są diody.

Najprostszą formą diody jest złącze p-n wykonane z domieszkowanego krzemu (Si). Gdy dioda znajduje się w polaryzacji przewodzenia (dodatni biegun źródła zasilania podłączony do strony typu p komponentu a biegun ujemny do strony typu n), a napięcie jest wystarczające, aby przezwyciężyć naturalny „potencjał rezystancji” diody lub spadek napięcia przewodzenia (który wynosi około 0,7V dla diody Si), wówczas prąd przewodzenia jest wysoki (I_F). Wartość I_F następnie rośnie proporcjonalnie do wzrostu napięcia zasilania (V_F). Powyżej bariery potencjału gradient krzywej V_F i I_F jest w dużej mierze zależny od rezystancji objętościowej diody, ale zazwyczaj jest bardzo stromy, jak pokazano na przykładzie diody BAS21H firmy Nexperia (ilustracja 1). Z tego powodu dioda jest często połączona szeregowo z rezystorem w celu zabezpieczenia urządzenia przed nadmiernym prądem.

Ilustracja 1: charakterystyka zależności V_F i I_F dla diody przełączającej BAS21H firmy Nexperia. Należy zwrócić uwagę, że przewodzenie dla tej diody Si typu p/n zaczyna się przy napięciu około 0,7V. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Odwrócenie napięcia (V_R) skutkuje pojawieniem się odpowiedniego niskiego wstecznego prądu upływu (I_R). W niskich temperaturach pracy wartość I_R jest nieistotna, ale ponieważ jest zależna od temperatury, przy wysokich temperaturach roboczych może stanowić większy problem. Kiedy wartość V_R jest duża, dioda przechodzi w tryb lawinowy i występuje przepływ dużego prądu, często wystarczającego do trwałego uszkodzenia komponentu. Ta wartość progowa napięcia w polaryzacji zaporowej jest znana jako napięcie przebicia (_VDROPOUT). W swoich arkuszach danych producenci zwykle podają wartość roboczą szczytowego napięcia w polaryzacji zaporowej (V_rmax), która jest mniejsza od wartości V_br o margines bezpieczeństwa (ilustracja 2).

Ilustracja 2: kluczowe parametry dla krzywej V-I diody typu p/n, w tym napięcie przewodzenia (V_F), prąd wsteczny (I_R) i napięcie przebicia (V_br). (Źródło ilustracji: Wikipedia)

W zastosowaniach przełączeniowych po odwróceniu polaryzacji zaporowej na diodzie nadal znajduje się wystarczający ładunek, aby umożliwić znaczny przepływ prądu w kierunku wstecznym. Ten tak zwany czas regeneracji wstecznej (t_rr) jest ważnym parametrem projektowym, zwłaszcza w zastosowaniach z wysoką częstotliwością. Zastosowanie dodatkowych domieszek, takich jak złoto lub platyna w półprzewodnikach typu p i n tworzących złącze diodowe radykalnie skraca czas t_rr. Tak zwane diody szybkie wykorzystujące te materiały mają t_rr rzędu kilkudziesięciu nanosekund (ns). Kosztem tej szybkości przełączania jest zwiększona wartość V_fa. Może ona zwykle wzrosnąć z 0,7 do 0,9V, co w konsekwencji zmniejsza sprawność. Jednak wartość I_R diody szybkiej pozostaje podobna do wartości dla konwencjonalnej diody Si typu p/n.

W praktyce charakterystyka diody pozwala na przepływ dużego prądu tylko w jednym kierunku, blokując ujemną połowę sinusoidalnej fali prądu zmiennego i skutecznie prostując prąd ze źródła napięcia do prądu stałego.

Wyzwania konstrukcyjne z punktu widzenia temperatury

W zastosowaniach związanych z konwersją prądu zmiennego na stały inżynierowie zazwyczaj szukają komponentów o najwyższej sprawności, aby zmniejszyć straty mocy i ograniczyć problemy termiczne.

Najważniejszym czynnikiem określającym sprawność diody jest wartość V_F. Diody Schottky'ego stanowią ulepszenie w stosunku do standardowych diod dzięki zastąpieniu złącza krzemowego typu p i n alternatywnym złączem krzemowym typu metal/n. W rezultacie spadek napięcia przewodzenia jest zmniejszony do poziomu między 0,15 a 0,45V (w zależności od wyboru metalu barierowego). Dodatkową zaletą diody Schottky'ego jest bardzo krótki czas t_rr (rzędu 100ps). Te cechy sprawiają, że prostownik Schottky’ego jest popularnym wyborem w zastosowaniach, takich jak wysokoczęstotliwościowe zasilacze impulsowe.

Jednakże prostownik Schottky'ego ma też istotne wady. Na przykład posiada stosunkowo niską wartość V_rmax w porównaniu z diodami krzemowymi (Si) typu p/n. Po drugie, i być może ważniejsze, prostowniki Schottky'ego charakteryzują się stosunkowo wysoką wartością I_R, która może wynosić nawet setki mikroamperów (µA) w porównaniu z setkami nanoamperów (nA) dla diody krzemowej (Si) typu p/n w porównywalnych zastosowaniach. Co gorsza, wartość I_R rośnie wykładniczo wraz z temperaturą złącza (T_j) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: charakterystyka zależności V_R i I_R dla diody Schottky'ego ogólnego przeznaczenia 1PS7xSB70 firmy Nexperia. Wartość I_R jest zwykle znacznie wyższa niż dla równoważnej diody krzemowej (Si) typu p/n i rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Stabilność termiczna prostownika diodowego jest zależna od niestabilnej równowagi między temperaturą własną zależną z kolei od wartości I_R oraz zdolnością prostownika do rozpraszania ciepła dzięki rezystancji termicznej układu (ilustracja 4). Jeśli prostownik jest w stanie równowagi termicznej, wartość T_j (przy stałej temperaturze otoczenia (T_amb) w roli „masy” termicznej) można opisać jako:

Gdzie:

R_th(j-a) = opór cieplny między złączem diodowym a otoczeniem

P_dissipated = straty mocy w urządzeniu

Ilustracja 4: opory cieplne działającej diody. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Podczas pracy, pod warunkiem, że moc wytworzona na skutek temperatury własnej jest mniejsza od strat mocy, wartość T_j urządzenia będzie dążyć do stanu stabilnego (ilustracja 5). Jeśli jednak moc wytwarzana jest większa od strat, wartość T_j wzrasta, aż w końcu urządzenie stanie się niestabilne termicznie. Sytuacja szybko zmienia się w niekontrolowany wzrost temperatury, ponieważ wartość I_R rośnie wykładniczo wraz z temperaturą, co skutecznie uaktywnia pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Ilustracja 5: stabilny stan roboczy przykładowej diody jest zależny od równowagi między zdolnością układu cieplnego do rozpraszania ciepła dzięki oporowi cieplnemu (niebieska linia (1)) oraz temperaturą własną prostownika wytworzoną przez jego własny prąd wsteczny upływu (I_R) (i straty przełączania) (czerwona linia (2)). Należy zwrócić uwagę, że samonagrzewanie rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury układu, powodując niekontrolowany wzrost temperatury. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Jeśli użyta dioda Schottky'ego zostanie poddana działaniu wysokich temperatur otoczenia, projektant będzie narażony na wysokie ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury, chyba że parametry pracy diody zostaną znacznie ograniczone dla temperatur powyżej 145°C. Z tego powodu inżynierowie często unikają diod Schottky'ego w zastosowaniach, takich jak szybko przełączające się sterowniki LED czy samochodowe sterowniki elektroniczne. Do tej pory inżynier miał do dyspozycji tylko diodę szybką, która cechuje się niską wartością I_R i dlatego jest znacznie mniej podatna na niekontrolowany wzrost temperatury, ale też ma niższą sprawność.

Alternatywa w postaci prostownika SiGe

Dotychczas wąska oferta diod szybkich do zastosowań w wysokich temperaturach i/lub przy wysokich wartościach V_rmax została rozszerzona dzięki pojawieniu się technologii diod SiGe, która łączy w sobie zalety diod Schottky'ego i diod szybkich. W tych prostownikach złącze krzemowe (Si) Schottky'ego typu metal barierowy / n zastępuje się złączem Si typu SiGe/n (ilustracja 6).

Ilustracja 6: w prostowniku SiGe metalową barierę Schottky'ego zastępuje się SiGe. Rezultatem jest mniejsze pasmo wzbronione, większa ruchliwość elektronów i wyższa wewnętrzna gęstość nośnika ładunku. (Źródło ilustracji: Nexperia)

SiGe, jak sama nazwa wskazuje, to stop krzemu i germanu. Kluczowymi zaletami tego półprzewodnika są mniejsze pasma wzbronione (gdzie pasmo wzbronione to różnica energii w elektronowoltach (eV) między pasmem walencyjnym półprzewodnika a pasmem przewodnictwa), możliwość przełączania przy wyższych częstotliwościach, większa ruchliwość elektronów i większa wewnętrzna gęstość nośnika ładunku niż w przypadku krzemu. Mniejsze pasmo wzbronione SiGe obniża wartość V_F złącza SiGe typu Si/n do około 0,75V, czyli do wartości o około 150mV niższej niż w przypadku diody szybkiej.

W praktyce niższa wartość V_F daje o około 20 procent mniejsze straty przewodzenia diody w porównaniu do diody szybkiej. Chociaż sprawność komponentów zależy od wielu czynników, m.in. od cyklu pracy, inżynier może mieć racjonalne podstawy, aby spodziewać się poprawy rzędu 5 do 10 procent w podobnych zastosowaniach. Dodatkowo dioda SiGe charakteryzuje się niższą wartością I_R niż dioda Schottky'ego (ilustracja 7).

Ilustracja 7: prostowniki SiGe mają niższą wartość I_R (zapewniającą doskonałe działanie w wysokich temperaturach) niż prostowniki Schottky'ego i niższą wartość V_F (zapewniającą wyższą sprawność) niż prostowniki z diodami szybkimi. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Ze względu na wysoką gęstość wewnętrzną ładunku i ruchliwość elektronów/dziur dioda SiGe charakteryzuje się niską wartością t_rr, czyli jest zdolna do szybkiego przełączania. To szybkie przełączanie jest również możliwe dzięki stosunkowo niskiej pojemności pasożytniczej i indukcyjności. Co więcej, ponieważ dioda SiGe ma niższy ładunek regeneracyjny wsteczny (Q_RR) i niższy prąd regeneracyjny wsteczny (I_RR) niż porównywalny prostownik Schottky'ego, charakteryzuje się mniejszymi stratami przełączania. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości to straty przełączania są głównym czynnikiem przyczyniającym się do całości strat. Kombinacja niskiej wartości I_R i niskich strat przełączania prawie eliminuje problemy związane z niekontrolowanym wzrostem temperatury.

Dobór i zastosowanie diod SiGe

Chociaż tranzystory SiGe są dostępne na rynku od kilku lat, diody SiGe są nowością. Na przykład prostowniki SiGe PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX i PMEG120G30ELPJ firmy Nexperia stanowią część grupy komponentów występujących w kompaktowych i zoptymalizowanych pod względem termicznym obudowach zaciskowych FlatPower (CFP3) i CFP5 (ilustracja 8). Ta obudowa stała się standardem branżowym dla diod mocy.

Ilustracja 8: prostownik SiGe PMEG120G10ELRX występuje w obudowie CFP5, która pozwala zaoszczędzić miejsce przy jednoczesnym zwiększeniu wymiany ciepła. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Solidny miedziany zacisk obudowy minimalizuje opór cieplny, zwiększając transfer ciepła, co umożliwia projektantom stosowanie płytek drukowanych o bardziej kompaktowej budowie. Dzięki obudowie CFP3 prostownik zajmuje o 38 procent mniej miejsca, natomiast dzięki obudowie CFP5 - nawet do 56 procent mniej w porównaniu z obudowami SMA i SMB.

Często, gdy wprowadzana jest nowa technologia, projektanci muszą zwracać uwagę na zmienne wdrożeniowe. Jeśli chodzi o diody SiGe firmy Nexperia, do diod Schottky’ego i diod szybkich stosowana jest ta sama obudowa, co sprawia, że są one łatwo wymienne w zastosowaniach wysokotemperaturowych, m.in. w oświetleniu LED, samochodowych sterownikach elektronicznych, zasilaczach serwerowych i infrastrukturze komunikacyjnej.

Prostowniki SiGe oferują napięcie V_rmax do 120V (wersje 150 i 200V są dostępne do próbkowania) - jest to wartość znacznie powyżej maksimum 100V narzuconego przez większość diod Schottky'ego. Ponadto urządzenia zostały przetestowane w temperaturze do 200°C i nie zaobserwowano niekontrolowanego wzrostu temperatury ani obniżonych parametrów pracy (ilustracja 9). Należy zwrócić uwagę, że wartość graniczną temperatury roboczej komponentów (bezpieczny obszar roboczy (SOA)) wynoszącą 175°C determinuje nie tyle sama dioda, co obudowa komponentu. Na ilustracji 10 przedstawiono, w jaki sposób odporność diod SiGe na niekontrolowane wzrosty temperatury gwarantuje większy bezpieczny obszar roboczy w porównaniu z diodami Schottky'ego.

Ilustracja 9: w prostownikach SiGe firmy Nexperia nie dochodzi do zjawiska niekontrolowanego wzrostu temperatury obserwowanego w prostownikach Schottky'ego przy wysokich temperaturach. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Ilustracja 10: odporność na niekontrolowany wzrost temperatury pozwala na rozszerzenie bezpiecznego obszaru roboczego dla prostowników SiGe w porównaniu z prostownikami Schottky'ego. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Prostowniki Nexperia SiGe oferują wartość I_F 1, 2 i 3A przy niskiej wartości I_R - 0,2nA (V_R = 120V (impulsowe), T_j = 25°C), która wzrasta do 10µA w podwyższonych temperaturach (V_R = 120V (impulsowe), T_j = 150°C). Podobnie jak diody Schottky'ego, prostowniki są dobrym wyborem do szybkiego przełączania przy niskich stratach przełączania i czasie t_rr równym 6 ns. Opisywane produkty posiadają kwalifikację AEC-Q101.

Podsumowanie

Prostowniki Schottky'ego są sprawdzoną opcją dla wydajnych przetwornic prądu zmiennego na stały o wysokiej częstotliwości, ale ich stosunkowo wysoka wartość I_R może prowadzić do szkodliwego i niekontrolowanego wzrostu temperatury w zastosowaniach wysokotemperaturowych. W rezultacie projektanci szukając diod do wysokotemperaturowych przetworników przełączających, musieli sięgnąć po diody o niższej sprawności, ale stabilne termicznie.

Jednak sprawdzona technologia SiGe z tranzystorów znalazła zastosowanie komercyjne w diodach. Ta nowa klasa urządzeń łączy w sobie wysoką sprawność i szybką charakterystykę przełączania prostowników Schottky'ego ze stabilnością termiczną prostowników z diodami szybkimi. W związku z tym stanowią one dobre rozwiązanie dla produktów przeznaczonych do środowisk o wysokiej temperaturze, takich jak oświetlenie LED, samochodowe sterowniki ECU, zasilacze serwerów i infrastruktura komunikacyjna.