Bruk SiGe-likerettere for høy virkningsgrad, AC-DC-drift i utrustninger med høy temperatur

Inntil nylig sto ingeniører overfor to konvensjonelle alternativer for diodebaserte likerettere i hjertet av deres hurtigvekslende, ikke lineære-AC-DC-strømforsyninger: Schottky-likerettere eller likerettere med friløpsdiode. Schottky-likerettere tilbyr lavt switchetap og god virkningsgrad, men er utsatt for termisk rømling i konstruksjoner som er utsatt for forhøyede temperaturer som LED-frontlykter for biler eller elektroniske styringsentheter (ECU-er). Hurtige friløpsdioder er mer stabile ved høyere temperaturer, men er mindre virkningsfulle.

Silikongermanium (SiGe)-likerettere gir et nytt tredje alternativ og eliminerer mange av avveiningene av de andre typene ved å kombinere de beste egenskapene til Schottky-likerettere for friløps-enheter (med rask gjenvinning). Spesielt SiGe-likerettere har høy termisk stabilitet, noe som gjør dem til et godt alternativ for utrustningen for høye temperaturer.

Denne artikkelen vil kort ta for seg grunnleggende likrettere og tilhørende utfordringer, inkludert en sammenligning av konvensjonelle Schottky-likerettere og likerettere med friløpsdiode. Den viser deretter hvordan en SiGe-likeretterarkitektur kombinerer fordelene ved begge. Ved hjelp av eksempelenheter fra Nexperia vil artikkelen deretter skissere viktige SiGe-likeregenskaper og hvordan SiGe-enheter kan brukes for å løse problemene forbundet med høy temperatur, hurtig switching, AC/DC-utrustninger.

Det grunnleggende med likerettere

Likerettere er viktige kretser for strømforsyninger som brukes til å konvertere en inngangsspenning i vekselstrøm (AC) til en spenningsforsyning med likestrøm (DC) som deretter kan brukes til å drive elektroniske komponenter. Selv om det er mange topologier (for eksempel halvbølge- og fullbølgelikerettere), er de viktigste komponentene i likerettere én eller flere dioder.

Den enkleste formen for diode er et dopet silisium (Si) p-n kryss. Når dioden er forspent (med den positive terminalen til strømkilden koblet til komponentens p-type-side og den negative til n-type-siden) med tilstrekkelig spenning til å overvinne diodens iboende «barrierepotensiale» eller fremadrettede spenningsfall (som er rundt 0,7 volt for en Si-diode), strømmer en stor foroverstrøm (I_F). I_F stiger deretter i forhold til økt spenning (V_F) fra forsyningen. Over barrierepotensialet bestemmes gradienten til V_F vs I_F-kurven i stor grad av diodens bulkmotstand, men er vanligvis svært bratt, som vist for Nexperias BAS21H (figur 1). På grunn av dette er dioden ofte seriekoblet med en motstand for enhetsoverstrømsbeskyttelse.

Figur 1: V_F- kontra I_F-karakteristikk for Nexperias BAS21H-switchediode (bryterdiode). Legg merke til hvordan ledningen starter ved ca 0,7 volt for denne p/n-typen Si-dioden. (Bildekilde: Nexperia)

Når spenningen er reversert (V_R), oppstår en tilsvarende lav lekkasjestrøm (I_R). Ved lave driftstemperaturer er I_R ubetydelig, men siden den er temperaturavhengig, kan den ved høye driftstemperaturer bli mer av et problem. Når V_R er stor, går dioden inn i en lavinemodus, og en stor strøm strømmer, ofte tilstrekkelig til å skade komponenten permanent. Denne minimumsterskelen er kjent som gjennombruddsspenning (V _BR). I databladene gir produsentene vanligvis råd om en fungerende topp-tilbakspenning (V_rmax) som er mindre enn V_br for å ta hensyn til en sikkerhetsmargin (figur 2).

Figur 2: Nøkkelparametere er vist for en p/n-diode V-I-kurve, inkludert fremre spenning (V_F), bakerste strøm (I_R) og gjennombruddsspenning (V_BR). (Bildekilde: Wikipedia)

I en switchingsutrustning, når den omvendte forspenningen er snudd, er det fortsatt tilstrekkelig ladning på dioden til å tillate betydelig strømflyt i motsatt retning. Denne såkalte omvendte gjenopprettingstiden (t_rr) er en viktig designparameter, spesielt for høyfrekvente utrustning. Bruk av ytterligere doper som gull eller platina i halvlederne av p- og n-typen som danner diodekrysset, forkorter t_rr dramatisk. Såkalte hurtige friløpsdioder som bruker disse materialene har en t_rr på noen titalls nanosekunder (ns). Avviklingen for denne hurtige switchingsytelsen er en økt V_F; dette kan vanligvis stige fra 0,7 til 0,9 volt med en påfølgende reduksjon i virkningsgrad. Imidlertid, så er I_R for en hurtig friløpsdiode lik en konvensjonell p/n-type Si-diode.

I en praktisk anvendelse tillater egenskapene til dioden at en stor strøm strømmer i bare én retning, blokkerer den negative halvdelen av den sinusformede vekselstrømsbølgen, og retter effektivt spenningskilden til en likestrømsforsyning (DC).

Termisk design utfordringer

I utrustninger med AC-DC-omforming ser ingeniører generelt etter de mest virkningsfulle komponentene for å redusere effektspredning og begrense termiske problemer.

V_F er den viktigste faktoren for å bestemme effektiviteten til en diode. Schottky-dioder representerer en forbedring i forhold til standarddioder ved å erstatte p- og n-type Si-forbindelsen med et metall/n-type Si-alternativ. Som et resultat reduseres det fremre spenningsfallet til mellom 0,15 og 0,45 volt (avhengig av valget av barrieremetall). En ytterligere fordel med Schottky-dioden er svært rask t_rr (i størrelsesorden 100 pikosekunder (ps)). Disse egenskapene gjør Schottky til et populært likerettervalg i utrustninger som høyfrekvente strømforsyninger i brytermodus.

Men det er betydelige ulemper med Schottky-likeretteren. For eksempel har den en relativt lav V_rmax sammenlignet med p/n-type Si-dioder. For det andre, og kanskje mer kritisk, har Schottky likerettere en relativt høy I_R, som kan være så høy som hundrevis av mikroampere (µA) sammenlignet med hundrevis av nanoampere (nA) for p/n-type Si-dioder i sammenlignbare utrustninger. Enda verre er det at I_R stiger eksponentielt med grenseskikttemperatur (T_j) (figur 3).

Figur 3: V_R- vs. I_R-karakteristikk for Nexperia 1PS7xSB70 Schottky-diode for allmenne formål. I_R er vanligvis mye høyere enn for en tilsvarende p/n-type Si-diode og øker eksponentielt med temperaturen. (Bildekilde: Nexperia)

Varmestabiliteten til en diodebasert likeretter bestemmes av den delikate balansen mellom selvoppvarmingen generert av I_R og likeretterens evne til å avlede varme gjennom systemets varmemotstand (figur 4). Hvis likeretteren er i termisk likevekt, kan T_j (med en fast omgivelsestemperatur (T_amb) som termisk «grunn») beskrives som:

Der:

R_th(j-a) = Varmemotstanden mellom diodekrysset og omgivelsene

P_avledet = Strømmen bortledet i enheten

Figur 4: Vist er varmemotstandene som presenteres for en driftsdiode. (Bildekilde: Nexperia)

Under drift, forutsatt at den genererte strømmen gjennom selvoppvarming er mindre enn den spredte strømmen, vil T_j til enheten konvergere mot en stabil tilstand (figur 5). Men hvis det genereres mer selvoppvarming enn det som kan avledes, øker T_j til enheten til slutt blir termisk ustabil. Situasjonen forvandles raskt til termisk rømling fordi I_R øker eksponentielt med temperaturen, noe som effektivt utløser en positiv tilbakemeldingssløyfe.

Figur 5: Den stabile driftstilstanden til en eksempeldiode bestemmes av balansen mellom: varmesystemets evne til å avlede varme gjennom varmemotstanden (blå linje (1)), og likeretterens selvoppvarming forårsaket av dens egen sperrestrøm (I_R) (og brytertap) (rød linje (2)). Legg merke til hvordan selvoppvarming øker eksponentielt når systemtemperaturen stiger, noe som resulterer i termisk rømling. (Bildekilde: Nexperia)

Konstruktøren har stor risiko for termisk rømling hvis en Schottky-diode som brukes i en utrustning, er utsatt for høye omgivelsestemperaturer med mindre driften er betydelig redusert for temperaturer over 145 °C. Av denne grunn har ingeniører en tendens til å skygge for Schottky-dioden i utrustninger som hurtig switchende LED-drivere eller elektroniske styreenheter «under panseret». Inntil nå har ingeniøren bare hatt den hurtige friløpsdioden – som har en lav I_R og dermed er mye mindre tilbøyelig til termisk rømling - med den påfølgende kompromisset med lavere virkningsgrad.

SiGe-likeretteralternativet

Det smale valget av hurtige friløpsdioder for høy temperatur og/eller høy V_rmax-design har blitt utvidet med fremkomsten av SiGe-diodeteknologi som kombinerer fordelene med Schottky- og hurtige friløpsdioder i en enkelt enhet. Disse likeretterne erstatter Schottkys kryss av barrieremetall/n-type Si med et kryss basert på SiGe/n-type Si (figur 6).

Figur 6: SiGe-likeretteren erstatter Schottky-metallbarrieren med SiGe. Resultatet er et mindre båndgap, større elektronmobilitet og høyere iboende ladebærertetthet. (Bildekilde: Nexperia)

SiGe, som navnet antyder, er en legering av silisium og germanium; de viktigste fordelene ved halvlederen er et mindre båndgap (hvor båndgapet er energiforskjellen i elektronvolt (eV) mellom halvlederens valensbånd og ledningsbånd), evnen til å bytte ved høyere frekvenser, større elektronmobilitet og høyere iboende ladningsbærertetthet enn silisium. Det nedre båndgapet til SiGe senker V_F i Si/n-type SiGe-korsjonen til rundt 0,75 volt, rundt 150 millivolt (mV) lavere enn en hurtig friløpsdiode.

I praksis reduserer den nedre V_F diodens ledningstap med rundt 20 prosent sammenlignet med en hurtig friløpsdiode. Selv om komponenteffektiviteten er avhengig av flere faktorer, inkludert brukssyklusen, kan en ingeniør med rimelighet forvente en forbedring på 5 til 10 prosent i lignende bruksområder. I tillegg har SiGe-dioden en lavere I_R enn en Schottky-diode (figur 7).

Figur 7: SiGe-likerettergivere har en lavere I_R enn Schottky-enheter (for overlegen høytemperaturdrift) og en lavere V_F enn likerettere med friløpsdiode (for høyere virkningsgrad). (Bildekilde: Nexperia)

På grunn av SiGe-diodens høye iboende ladetetthet og elektron/hull-mobilitet, har den lav t_rr, så den er i stand til hurtig switching. Denne hurtige switchingen aktiveres også av relativt lav parasittisk kapasitans og induktans. Dessuten, fordi SiGe-dioden har en laveresperreforsinkelseslading (Q_RR) og lavere sperreforsinkelsesstrøm (I_RR) enn en sammenlignbar Schottky-ligner, har den lavere switchetap. Dette er avgjørende fordi disse switchetapene i høyfrekvensutrustninger er en stor bidragsyter til de samlede tapene. Kombinasjonen av lav I_R og lave switchetap eliminerer nesten termiske utfordringer.

Velge og bruke SiGe-dioder

Mens SiGe-transistorer har vært på markedet i flere år, er SiGe-dioder en nyere ankomst. For eksempel er Nexperias PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX og PMEG120G30ELPJ SiGe-likerettere en del av en familie som kommer i størrelsen og termisk virkningsfulle Clip-bonded FlatPower (CFP3) og CFP5-kapslinger (figur 8). Denne kapslingen har blitt bransjestandarden for strømdioder.

Figur 8: PMEG120G10ELRX SiGe-likeretteren leveres i en CFP5-pakke som sparer plass mens den øker varmeoverføringen. (Bildekilde: Nexperia)

Kapslingens massive kobberklemme minimerer varmemotstanden for å øke varmeoverføringen, og lar dermed designere bruke mer kompakte kretskortdesign. CFP3 reduserer likeretterplassbehovet med 38 prosent, mens CFP5 sparer opptil 56 prosent, sammenlignet med SMA- og SMB-pakker.

Når en ny teknologi introduseres, må designere ofte være oppmerksomme på implementeringsvariabler. Når det gjelder Nexperia SiGe-dioder, brukes den samme emballasjen også for selskapets Schottky- og hurtig friløpsdiode, noe som muliggjør drop-in utskifting for høytemperaturutrustninger, inkludert LED-belysning, bil-ECU-er, serverstrømforsyninger og kommunikasjonsinfrastruktur.

SiGe-likeretterne tilbyr en V_rmax på opptil 120 volt (150 og 200 volts versjoner er tilgjengelige for prøvetaking), langt over 100-volts grensen som er pålagt av de fleste Schottky-dioder. Dessuten er innretningene prøvd opp til 200 °C uten termisk nedløp eller reduksjon (figur 9). Merk at komponentenes driftstemperaturgrense (trygt driftsområde (SOA)) på 175 °C bestemmes ikke så mye av dioden, men av komponentpakken. Figur 10 viser hvordan SiGe-diodernes termiske bortløpsimmunitet gir et større utvidet trygt driftsområde sammenlignet med Schottky-dioder.

Figur 9: Nexperia SiGe-likerettere lider ikke den termisk rømlingen til Schottky-likerettere ved høye temperaturer. (Bildekilde: Nexperia)

Figur 10: termisk rømlingsimmunitet åpner for et utvidet trygt driftsområde for SiGe-likerettere sammenlignet med Schottky-likerettere. (Bildekilde: Nexperia)

Nexperia SiGe-lignerne tilbyr I_{F-kapasiteter} på 1, 2 og 3 ampere (A) med en lav I_R på 0,2 nA (V_R = 120 volt (pulsert), T_j = 25 °C), som stiger til 10 µA ved forhøyede temperaturer (V_R = 120 volt (pulsert), T_j = 150 °C). I likhet med Schottky-dioder er likeretterne et godt valg for alternativer med hurtig switching, lave switchetap og en_{t rr} på 6 ns. Produktene er kvalifisert til AEC-Q101.

Konklusjon

Schottky-likerettere er et utprøvd alternativ for effektive AC-DC-omformere med høy frekvens, men deres relativt høye I_R kan føre til skadelig termisk rømling i høytemperaturutrustninger. Som et resultat måtte designerne ty til lavere virkningsgrad, men hurtige friløpsdioder som er termisk stabile til sine høytemperatur-omformere.

Som vist er imidlertid dokumentert SiGe-teknologi fra transistorer gjort kommersielt tilgjengelig i dioder. Denne nye klassen av enheter kombinerer virkningsgraden og hurtig-switchingsegenskaper til Schottky-er med varmestabiliteten til hurtige friløpsdioder. Dermed gir de en god løsning for design som går inn i høytemperaturmiljøer som LED-belysning, bil-ECUer, serverstrømforsyninger og kommunikasjonsinfrastruktur.