Utilizați diodele SiC MPS pentru a minimiza pierderile în sursele de alimentare de înaltă frecvență, în mod comutat

Circuitele de comutare de înaltă frecvență, cum ar fi cele pentru corecția factorului de putere (PFC) care utilizează modul de conducție continuă (CCM), necesită diode care au pierderi de comutare reduse. Pentru diodele convenționale din siliciu (Si) în modul CCM, aceste pierderi la comutare rezultă din curentul de recuperare inversă al diodei datorat sarcinii stocate în joncțiunea diodei în timpul opririi. În general, minimizarea acestor pierderi necesită o diodă Si cu un curent direct mediu mai mare, ceea ce duce la o dimensiune fizică mai mare și la un cost mai ridicat.

O diodă din carbură de siliciu (SiC) este o alegere mai bună într-un circuit CCM PFC deoarece curentul său de recuperare inversă este doar de natură capacitivă. Injecția redusă de purtători minoritari într-un dispozitiv SiC înseamnă că pierderea la comutare a unei diode SiC este aproape zero. În plus, diodele SiC cu PIN Schottky fuzionat (MPS) reduc căderea de tensiune directă a dispozitivului, similar cu o diodă SiC Schottky convențională. Acest lucru reduce și mai mult pierderile de conducție.

Articolul de față prezintă pe scurt provocarea comutării cu pierderi reduse în circuitele CCM PFC. Apoi prezintă un exemplu de dispozitiv MPS de la Vishay General Semiconductor - Diodes Division și arată cum poate fi aplicat pentru a minimiza pierderile.

Cerințe de comutare cu pierderi reduse

Sursele de alimentare cu comutare c.a./c.c. cu puteri nominale de peste 300 de wați utilizează, de obicei, PFC pentru a asigura respectarea standardelor internaționale, cum ar fi IEC61000-4-3, care specifică puterea reactivă și nivelurile armonicilor de linie. Diodele utilizate într-o sursă de alimentare PFC, în special în sursele de alimentare cu comutare care funcționează la frecvențe înalte, trebuie să fie capabile să suporte puterea nominală a sursei și pierderile aferente asociate cu acțiunile de conducție și de comutare ale circuitului. Dispozitivele Si au pierderi notabile la recuperarea inversă. Atunci când o diodă Si trece de la o stare conductoare la una neconductoare, aceasta rămâne conductoare în timp ce purtătorii de sarcină sunt eliminați din joncțiune. Acest lucru duce la un flux de curent semnificativ pe durata timpului de recuperare inversă a diodei, care devine pierderea diodei Si la oprire.

Recuperarea inversă a diodelor Schottky din SiC este limitată la descărcarea capacitivă, care are loc mai rapid, eliminând în mod eficient pierderea la oprire. Diodele SiC au o cădere de tensiune directă mai mare, care poate contribui la pierderile de conducție, dar căderea poate fi controlată. Diodele SiC au, de asemenea, avantajul de a fi capabile să reziste la un interval de temperatură mai mare și o comutare mai rapidă. Intervalul de temperatură mai ridicat permite o densitate mai mare a puterii, permițând capsule mai mici. Comutarea mai rapidă se datorează structurii Schottky și timpului de recuperare inversă mai scurt al SiC. Funcționarea la frecvențe de comutare mai mari duce la valori mai mici ale inductorilor și condensatoarelor pentru a îmbunătăți eficiența volumetrică a alimentării.

Dioda SiC MPS

Dioda SiC MPS combină caracteristicile utile ale diodelor Schottky și PIN. Structura rezultă într-o diodă cu comutare rapidă, o cădere scăzută de tensiune în stare activă, o scurgere scăzută în stare inactivă și caracteristici bune la temperaturi ridicate.

O diodă care utilizează o joncțiune Schottky pură oferă cea mai mică tensiune directă posibilă, dar este supusă unor probleme la curenți mari, cum ar fi curenții de vârf din unele aplicații PFC. Diodele MPS îmbunătățesc performanța curentului de supratensiune prin implantarea de zone dopate pozitiv sub zona de derivație metalică a structurii Schottky (Figura 1). Se formează astfel un contact P-ohmic cu metalul la anodul diodei Schottky și o joncțiune P-N cu stratul de derivație SiC ușor dopat sau stratul epitaxial.

Figura 1: Este prezentată o comparație a structurilor diodelor SiC Schottky (stânga) și MPS (dreapta). (Sursa imaginii: Vishay Semiconductor)

În condiții normale, structura Schottky a diodei MPS conduce aproape întregul curent, iar dioda se comportă ca o diodă Schottky, cu caracteristicile de comutare aferente.

În cazul unei supratensiuni tranzitorii mari, tensiunea pe dioda MPS crește peste tensiunea de prag a diodei P-N încorporate, care începe să conducă, reducând rezistența locală. Acest lucru deviază curentul prin regiunile joncțiunii P-N, limitând puterea disipată și reducând stresul termic în dioda MPS. Această creștere a conductivității zonei de derivație la un curent ridicat menține tensiunea directă la o valoare scăzută.

Performanța dispozitivelor SiC în ceea ce privește curentul de supratensiune provine din natura unipolară a dispozitivului și din rezistența relativ ridicată a stratului de derivă. Structura MPS îmbunătățește, de asemenea, acest parametru de performanță, iar amplasarea geometrică, dimensiunea și concentrația de dopare a zonei dopate pozitiv afectează caracteristicile finale. Căderea de tensiune directă este un compromis între valorile nominale ale curentului de scurgere și de supratensiune.

În condiții de polarizare inversă, regiunile dopate pozitiv forțează zona generală de intensitate maximă a câmpului în jos și departe de bariera metalică cu imperfecțiunile sale și în stratul de derivă aproape fără defecte, reducând astfel curentul de scurgere general. Acest lucru permite unui dispozitiv MPS să funcționeze la o tensiune de rupere mai mare cu același curent de scurgere și aceeași grosime a stratului de derivă.

Structura MPS de la Vishay utilizează tehnologia peliculei subțire, în care recoacerea cu laser este utilizată pentru a subția partea din spate a structurii diodei, ceea ce reduce căderea de tensiune directă cu 0,3 volți comparativ cu soluțiile anterioare. În plus, căderile de tensiune directe ale diodelor sunt aproape independente de temperatură (Figura 2).

Figura 2: O comparație a căderilor de tensiune directă între structura Schottky pură (linii punctate) și o structură de diodă MPS (linii continue) arată că dioda MPS menține o cădere de tensiune directă mai consecventă în funcție de creșterea curentului direct. (Sursa imaginii: Vishay Semiconductors)

Acest grafic arată tensiunea directă a ambelor tipuri de diode în funcție de curentul direct, având temperatura ca parametru. Căderile de tensiune directă pentru diodele Schottky pure cresc exponențial pentru curenți mai mari de 45 amperi (A). Dioda MPS menține o cădere de tensiune directă mai consecventă cu creșterea curentului direct. Rețineți că tensiunea directă scade odată cu creșterea temperaturii pentru niveluri mai mari de curent direct în dioda MPS.

Exemple de diode MPS

Diodele avansate SiC MPS de la Vishay sunt evaluate la 1200 de volți de vârf invers, cu valori nominale ale curentului direct de la 5 la 40 A. De exemplu, VS-3C05ET12T-M3 (Figura 3) este o diodă montată prin găuri într-o carcasă TO-220-2 și este clasificată pentru un curent direct de 5 A, cu o tensiune directă de 1,5 volți la curentul său nominal complet. Curentul de scurgere inversă al diodei este de 30 microamperi (µA) și este evaluat pentru o temperatură maximă de funcționare a joncțiunii de +175 °C.

Figura 3: Dioda SiC MPS VS-3C05ET12T-M3 vine într-o capsulă cu gaură de trecere și este dimensionată pentru un curent direct de 5 A, cu o tensiune directă de 1,5 volți la întregul său curent nominal. (Sursa imaginii: Vishay Semiconductor)

Această familie de diode este cea mai bună alegere pentru aplicații de mare viteză, cu comutare puternică și oferă o funcționare eficientă pe o gamă largă de temperaturi.

Aplicații pentru diode SiC MPS

Diodele MPS sunt aplicate de obicei într-o mare varietate de circuite de putere în mod comutat, cum ar fi convertoarele c.c./c.c., inclusiv cele care utilizează topologii FBPS (punte completă cu schimbare de fază) și LLC (inductor-inductor-condensator) întâlnite frecvent în aplicațiile fotovoltaice. O altă aplicație comună este în sursele de alimentare c.a./c.c. care utilizează circuite PFC.

Factorul de putere este raportul dintre puterea activă și puterea aparentă și măsoară cât de eficient este utilizată puterea de intrare în echipamentele electrice. Un factor de putere de unu este ideal. Un factor de putere mai mic înseamnă că puterea aparentă este mai mare decât puterea activă, ceea ce determină o creștere a curentului necesar pentru a conduce o anumită sarcină. Curenții de vârf mari în sarcinile cu factori de putere scăzuți pot provoca, de asemenea, armonici pe linia electrică. Furnizorii de energie specifică, în general, intervalul admisibil al factorului de putere al utilizatorului. Sursele de alimentare c.a./c.c. pot fi proiectate cu PFC inclus (Figura 4).

Figura 4: Este prezentat un exemplu de etaj PFC activ tipic implementat într-o sursă de alimentare c.a./c.c. cu un convertor de amplificare. (Sursa imaginii: Vishay Semiconductor)

În Figura 4, redresorul în punte B1 convertește curentul alternativ de intrare în curent continuu. MOSFET Q1 este un comutator electronic care este pornit și oprit de către un circuit integrat PFC (nu este prezentat). În timp ce MOSFET-ul este pornit, curentul prin inductor crește liniar. În acest moment, dioda SiC este polarizată invers de tensiunea de pe condensatorul de ieșire (C_OUT), iar scurgerea inversă redusă a diodei SiC minimizează pierderile prin scurgere. Atunci când MOSFET-ul este oprit, inductorul furnizează un curent liniar descrescător la C_OUT prin dioda redresoare de ieșire polarizată direct.

Într-un circuit CCM PFC, curentul inductorului nu scade la zero în timpul întregului ciclu de comutare. CCM PFC sunt comune în sursele de alimentare care furnizează câteva sute sau mai mulți wați. Comutatorul MOSFET este modulat în funcție de lățimea impulsurilor (PWM) de către circuitul integrat PFC astfel încât impedanța de intrare a circuitului de alimentare să pară pur rezistivă (un factor de putere de unu), iar raportul dintre curentul de vârf și curentul mediu, factorul de creastă, să fie menținut scăzut (Figura 5).

Figura 5: Sunt prezentați curenții instantanei și medii într-un circuit de amplificare CCM PFC. (Sursa imaginii: Vishay Semiconductor)

Spre deosebire de modurile de funcționare cu curent discontinuu și critic, în care curentul inductorului ajunge la zero și dioda comută într-o stare nepolarizată, curentul inductorului într-un circuit CCM nu scade niciodată la zero, astfel încât atunci când comutatorul schimbă starea, există un curent inductor diferit de zero. Atunci când dioda trece într-o stare inversă, recuperarea inversă contribuie semnificativ la pierderi. Utilizarea unei diode SiC MPS elimină aceste pierderi. Scăderea pierderilor de comutare datorate utilizării diodei MPS SiC aduce avantajul reducerii dimensiunii cipului și a costului atât pentru diodă, cât și pentru comutatorul activ.

Concluzie

Comparativ cu Si, diodele Schottky MPS SiC de la Vishay oferă valori mai mari ale curentului direct, căderi mai mici ale tensiunii directe și pierderi reduse de recuperare inversă, toate într-o capsulă mai mică cu temperaturi nominale mai ridicate. Ca atare, acestea sunt potrivite pentru utilizare în proiectele de surse de alimentare cu mod de comutare.