Bruk MPS SiC-dioder for å minimere tap i høyfrekvente, ikke-linjære strømforsyninger (switched mode-strømforsyninger – også kalt SMPS-strømforsyninger)

Høyfrekvente ikke-lineære kretser (switch mode-kretser), for eksempel kretser for effektfaktorkorrigering (PFC) som bruker kontinuerlig ledningsmodus (CCM), krever dioder med lave vekslingstap. For konvensjonelle silisiumdioder i CCM-modus skyldes disse vekslingstap diodens sperreforsinkelsesstrøm (reversering) som følge av lagret ladning i diodens grenseskiktet (sperreskikt/overgangsskikt) under utkobling. For å minimere disse tapene kreves det vanligvis en Si-diode med større gjennomsnittlig gjennomgående strøm, noe som fører til større fysisk størrelse og høyere kostnader.

En silisiumkarbiddiode (SiC-diode) er et bedre valg i en CCM PFC-krets fordi den kun har kapasitiv sperreforsinkelsesstrøm (reversering). Redusert injeksjon av minoritetsbærere i en SiC-enhet betyr at koblingstapet til en SiC-diode er nær null. I tillegg senker en integrert PIN- og PIN Schottky av silisiumkarbid (MPS) spenningsfallet på fremspenningen (ledespenningen) i enheten på samme måte som en konvensjonell Schottky-diode av silisiumkarbid. Dette minimerer ledningstapene ytterligere.

Denne artikkelen tar kort for seg utfordringen med lav-tapskobling i CCM PFC-kretser. Deretter introduseres et eksempel på en MPS-enhet fra Vishay General Semiconductor – Diodes Division , og det vises hvordan den kan brukes for å minimere tap.

Krav til veksling (switching) med lavt tap

Ikke-lineære (switch-mode)-AC/DC-strømforsyninger (SMPS-strømforsyninger) med effekt på over 300 watt bruker vanligvis effektfaktorkorreksjon (PFC) for å oppfylle internasjonale standarder som IEC61000-4-3, som spesifiserer reaktiv effekt og nivåene for linjeharmoniske. Diodene som brukes i en PFC-strømforsyning, spesielt i ikke-lineær strømforsyninger (switching power supplies) som opererer med høy frekvens, må kunne håndtere strømforsyningens nominelle effekt og de tilhørende tapene som er forbundet med lednings og vekslingshandling av kretsen. Si-enheter har merkbare tap ved reversering (sperreforsinkelsesstrøm). Når en Si-diode går fra en ledende til en ikke-ledende tilstand, forblir den ledende mens ladningsbærerne fjernes fra grenseskiktetet. Dette resulterer i en betydelig strømgjennomgang i løpet av diodens sperreforsinkelsestid, noe som blir Si-diodens utkoplingstap.

Sperreforsinkelse for SiC Schottky-dioder (reversering) er begrenset til kapasitiv utladning, som skjer raskere, noe som effektivt eliminerer utkoplingstap. SiC-dioder har et høyere spenningsfall på fremspenningen (ledespenningen), noe som kan bidra til ledningstap, men fallet kan styres/reguleres. SiC-dioder har også den fordelen at de kan håndtere et høyere temperaturområde og veksler (kobler) raskere. Det høyere temperaturområdet gir større effekttetthet, noe som muliggjør mindre kapslinger. Den raskere vekslingen skyldes Schottky-strukturen og SiC-ens kortere sperreforsinkelsesstid (reversering). Drift ved høyere vekslingsfrekvenser resulterer i mindre induktor- og kondensatorverdier, noe som gir bedre volumetrisk virkningsgrad i strømforsyningen.

SiC MPS-dioden

SiC MPS-dioden kombinerer de nyttige egenskapene til både Schottky- og PIN-dioder. Strukturen resulterer i en diode med rask veksling, lavt spenningsfall i på-tilstand, lav lekkasje i av-tilstand og gode egenskaper ved høye temperaturer.

En diode med en ren Schottky-grenseskikt gir lavest mulig fremspenning (ledespenning), men det oppstår problemer ved høye strømmer, som for eksempel overspenningsstrømmene (støtstrømmene) i enkelte PFC-utrustninger. MPS-dioder forbedrer ytelsen for transient-overspenningsstrøm (støtstrøm) ved å implantere P-dopede områder under strømningssonen i metall i Schottky-strukturen (figur 1). Dette danner en P-ohmisk kontakt med metallet ved Schottky-diodens anode og en P-N-grenseskikt med det lett dopede SiC-drift- eller epi-laget.

Figur 1: Figuren viser en sammenligning av strukturene til SiC Schottky- (til venstre) og MPS-dioder (til høyre). (Bildekilde: Vishay Semiconductor)

Under normale forhold leder Schottky-strukturen i MPS-dioden nesten hele strømmen, og dioden oppfører seg som en Schottky-diode, med de tilhørende vekslingsegenskapene.

Ved en høy transient-overspenningsstrøm (støtstrøm) øker spenningen over MPS-dioden utover terskelspenningen til den innebygde P-N-dioden, som begynner å lede, noe som senker den lokale motstanden. Dette avleder strømmen gjennom P-N-grenseskiktområdene, noe som begrenser effektforbruket og reduserer den termiske belastningen i MPS-dioden. Denne økningen i ledningsevnen i driftssonen ved høy strøm holder fremspenningen (ledespenningen) på et lavt nivå.

SiC-enhetenes ytelse for transient-overspenningsstrøm (støtstrøm) kommer av enhetens unipolare natur og dens relativt høye motstand i strømningslagene. MPS-strukturen forbedrer også denne ytelsesparameteren, og det P-dopede områdets geometriske plassering, størrelse og dopingkonsentrasjon påvirker de endelige egenskapene. Spenningsfall på fremspenningen (ledespenningen) er et kompromiss mellom lekkasjestrømmen og overspenningsstrømmen (støtstrømmen).

Under omvendt skjevhet tvinger de P-dopete områdene det totale området med maksimal feltstyrke nedover og bort fra metallbarrieren med dens ufullkommenhet og inn i det nesten defektfrie strømningslaget, og reduserer derved den totale lekkasjestrømmen. Dette gjør at en MPS-enhet kan operere ved en høyere gjennomslagsspenning med samme lekkasjestrøm og strømningslagtykkelse.

Vishays MPS-struktur bruker tynnfilmteknologi, der lasergløding brukes til å tynne ut baksiden av diodestrukturen, noe som reduserer spenningsfallet på fremspenningen (ledespenningen) med 0,3 volt sammenlignet med tidligere løsninger. I tillegg er diodenes spenningsfallet på fremspenningen (ledespenningen) nesten temperaturuavhengig (figur 2).

Figur 2: En sammenligning av spenningsfallet på fremspenningen (ledespenningen) mellom den rene Schottky-dioden (stiplede linjer) og en MPS-diodestruktur (heltrukne linjer) viser at MPS-dioden opprettholder et mer konsistent spenningsfall på fremspenningen (ledespenningen) ved økende foroverstrøm (diodestrøm). (Bildekilde: Vishay Semiconductors)

Dette diagrammet viser forspenningen til begge dodetyper som en funksjon av fremspenningen (ledespenningen) med temperatur som parameter. Spenningsfallet på fremspenningen (ledespenningen) for de rene Schottky-diodene øker eksponentielt for strømmer over 45 ampere (A). MPS-dioden opprettholder et mer konsistent spenningsfall på fremspenningen (ledespenningen) ved økende foroverstrøm (diodestrøm). Legg merke til at fremspenningen (ledespenningen) synker med økende temperatur for høyere fremspenningnivåer i MPS-dioden.

Eksempler på MPS-dioder

Vishays avanserte SiC MPS-dioder er klassifisert for spisser/sopper på 1200 volts reversspenninger med en nominell strømstyrke på 5 til 40 A. For eksempel er VS-3C05ET12T-M3 (figur 3) en hullmontert diode i et TO-220-2-kapsling og er beregnet for en foroverstrøm (diodestrøm) på 5 A, med en fremspenning (ledespenning) på 1,5 volt ved ytelse tilsvarene sin fulle nominelle verdi. Diodens reversstrøm (revers lekkasjestrøm) er 30 mikroampere (μA), og dioden er beregnet for en maksimal driftstemperatur på +175 °C.

Figur 3: VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS-dioden leveres i en hullmontert kapsling og er beregnet for en foroverstrøm (diodestrøm) på 5 A, med en fremspenning (ledespenning) på 1,5 volt ved ytelse tilsvarene sin fulle nominelle verdi. (Bildekilde: Vishay Semiconductor)

Denne diodefamilien er det beste valget for høyhastighetsutrustninger med hard-veksling, og den gir effektiv drift over et bredt temperaturområde.

Utrustninger med MPS SiC-dioder

MPS-dioder brukes vanligvis i en lang rekke ikke-lineære strømkretser (switched-mode-strømkretser), for eksempel DC/DC-omformere, inkludert de som bruker topologier med faseforskyet helbro (FBPS) og induktor-induktor-kondensator (LLC), som er vanlige i solcelleanlegg. Et annet vanlig bruksområde er i AC/DC-strømforsyninger med PFC-kretser.

Effektfaktoren er forholdet mellom aktiv og tilsynelatende effekt og måler hvor effektivt innkommende strøm brukes i elektrisk utstyr. En effektfaktor (PF) på én er ideelt. En lavere effektfaktor (PF) betyr at den tilsynelatende effekten er større enn den aktive effekten, noe som fører til en økning i strømmen som kreves for å drive en bestemt last. Høye toppstrømmer (strømspisser) i laster med lav effektfaktor kan også forårsake overtoner på kraftledningen. Strømleverandørene angir vanligvis det tillatte området for brukerens effektfaktor. AC/DC-strømforsyninger kan utformes med effektfaktorkorreksjon (PFC) inkludert (figur 4).

Figur 4: Her vises et eksempel på et typisk aktivt PFC-trinn som er implementert i en AC/DC-strømforsyning med en boost-omformer (hever spenningen). (Bildekilde: Vishay Semiconductor)

I figur 4 omdanner likeretterbroen B1 vekselstrømmen til likestrøm. MOSFET Q1 er en elektronisk bryter som slås «på» og «av» fra en PFC IC (ikke vist). Mens MOSFET-enheten er «på», øker strømmen lineært gjennom induktoren. På dette punktet er SiC-dioden reversforspent av spenningen på utgangskondensatoren (C_OUT), den lave reverslekkasjen til SiC-dioden minimerer lekkasjetapet. Når MOSFET-enheten er «av», leverer induktoren en lineært avtagende strøm til C_OUT gjennom den fremover-forspente utgangslikeretterdioden.

I en CCM PFC-krets faller ikke induktorstrømmen til null i løpet av hele vekslingssyklusen. CCM PFC-er er vanlige i strømforsyninger som leverer flere hundre watt eller mer. MOSFET-bryteren pulsbreddemoduleres (PWM) av PFC-IC-en slik at inngangsimpedansen til strømforsyningskretsen fremstår som rent resistiv (en effektfaktor på én), og forholdet mellom topp/spiss- og gjennomsnittsstrøm, crest-faktoren, holdes lavt (figur 5).

Figur 5: Her vises momentan- og gjennomsnittsstrømmer i en CCM PFC boost-krets (hever spenningen). (Bildekilde: Vishay Semiconductor)

I motsetning til de diskontinuerlige og kritiske strømmodusene, der induktorstrømmen når null og dioden veksler i en uforspent tilstand, faller induktorstrømmen i en CCM-krets aldri til null, slik at når bryteren skifter (veksler) tilstand, er det en induktorstrøm som ikke er null. Når dioden går over i reversert tilstand (sperreretning), bidrar den sperreforsinkelsen betydelig til tapene. Ved å bruke en MPS SiC-diode elimineres disse tapene. Det reduserte vekslingstapet/koblingstapet ved bruk av MPS SiC-dioden gir fordelen av å redusere brikkestørrelsen og kostnadene for både dioden og den aktive bryteren.

Konklusjon

Sammenlignet med Si gir Vishays MPS SiC Schottky-dioder høyere nominell foroverstrøm (diodestrøm), lavere spenningsfall på fremspenningen (ledespenningen) og redusert tap på sperreforsinkelsesstrøm (reversering), alt dette i en mindre kapsling med høyere temperaturklassifisering. De egner seg derfor godt til bruk i ikke-lineær strømforsyninger (switch-mode-strømforsyninger).