Använd sammansatta PIN- och Schottky-dioder av kiselkarbid för att minimera förlusterna i switchade nätaggregat med höga frekvenser

Switchande kretsar för höga frekvenser som t.ex. sådana för effektfaktorkorrigering (PFC) som använder kontinuerligt ledningsläge (CCM), behöver dioder med låga switchningsförluster. För konventionella kiseldioder (Si) med kontinuerligt ledningsläge beror switchningsförlusterna på diodens återställningsström i backriktningen på grund av lagrad laddning i diodövergången vid avstängning. För att minimera förlusterna krävs i allmänhet en kiseldiod med högre genomsnittlig ström i framriktningen, vilket medför en större fysisk storlek och högre kostnad.

En diod av kiselkarbid (SiC) är ett bättre val i en effektfaktorkorrigerande krets med kontinuerligt ledningsläge eftersom återställningsströmmen i backriktningen endast är kapacitiv till sin natur. Minskad injektion av minoritetsbärare i en enhet av kiselkarbid innebär att switchningsförlusten för en diod av kiselkarbid är nära noll. En sammansatt PIN- och Schottky-diod (MPS) av kiselkarbid sänker dessutom enhetens spänningsfall i framriktningen på samma sätt som en konventionell Schottky-diod av kiselkarbid. Detta minimerar ledningsförlusterna ytterligare.

Artikeln diskuterar kortfattat utmaningen med switchning med låga förluster i effektfaktorkorrigerande kretsar med kontinuerligt ledningsläge. Därefter presenteras ett exempel på en sammansatt PIN- och Schottky-enhet från Vishay General Semiconductor - Diodes Division och hur den kan användas för att minimera förluster.

Krav på switchning med låga förluster

Switchade nätaggregat för växel-/likström med en nominell effekt på över 300 W använder vanligtvis effektfaktorkorrigering för att uppfylla internationella standarder som t.ex. IEC61000-4-3, som specificerar reaktiv effekt och harmoniska övertoner i nätet. Dioderna som används i ett nätaggregat med effektfaktorkorrigering, särskilt i switchade nätaggregat som arbetar vid höga frekvenser, måste kunna hantera nätaggregatets nominella effekt och de relaterade förluster som är förknippade med kretsens lednings- och switchningsfunktioner. Enheter av kisel har tydliga återställningsförluster i backriktningen. När en kiseldiod växlar från ett ledande till ett icke-ledande tillstånd förblir den ledande medan laddade bärare avlägsnas från övergången. Detta resulterar i ett betydande strömflöde under diodens återställningstid i backriktningen, vilket blir kiseldiodens förlust vid avstängning.

Återställningen i backriktningen hos Schottky-dioder av kiselkarbid är begränsad till kapacitiv urladdning, som sker snabbare, vilket effektivt eliminerar förlusten vid avstängning. Dioder av kiselkarbid har ett högre spänningsfall i framriktningen, vilket kan bidra till ledningsförluster, men fallet kan styras. Dioder av kiselkarbid har även fördelen att de klarar ett högre temperaturområde och snabbare switchning. Det högre temperaturområdet har högre effekttäthet, vilket möjliggör mindre kapslingar. Den snabbare switchningen beror på Schottky-strukturen och kiselkarbidens kortare återställningstid i backriktningen. Drift vid högre switchningsfrekvenser resulterar i lägre induktans- och kondensatorvärden för att förbättra den volymetriska verkningsgraden i nätaggregatet.

Sammansatt PIN- och Schottky-diod av kiselkarbid

Den sammansatta PIN- och Schottky-dioden av kiselkarbid kombinerar de användbara egenskaperna hos både Schottky- och PIN-dioder. Strukturen resulterar i en diod med snabb switchning, lågt spänningsfall vid på-läge, lågt läckage i av-läge samt goda egenskaper vid höga temperaturer.

En diod med en ren Schottky-övergång levererar den lägsta möjliga spänningen i framriktningen, men kan få problem vid höga strömmar, som t.ex. vid de överströmmar som förekommer i vissa tillämpningar med effektfaktorkorrigering. Sammansatta PIN- och Schottky-dioder förbättrar tåligheten mot överströmmar genom att implantera P-dopade områden under strömningszonen av metall i Schottky-strukturen (figur 1). Detta bildar en P-ohmisk kontakt med metallen vid anoden på Schottky-dioden och en P-N-övergång med det tunt dopade strömnings- och epi-lagret av kiselkarbid.

Figur 1: Här visas en jämförelse av strukturerna hos Schottky-dioder av kiselkarbid (vänster) och sammansatta PIN- och Schottky-dioder (höger). (Bildkälla: Vishay Semiconductor)

Under normala förhållanden leder Schottky-strukturen i sammansatta PIN- och Schottky-dioder nästan all ström och dioden beter sig som en Schottky-diod, med tillhörande switchningsegenskaper.

I händelse av en hög transientström ökar spänningen över den sammansatta PIN- och Schottky-dioden bortom gränsspänningen för den inbyggda P-N-dioden, som börjar leda ström, vilket sänker den lokala resistansen. Detta leder strömmen genom P-N-övergångarna, vilket begränsar effektförlusten och minskar den termiska påfrestningen för den sammansatta PIN- och Schottky-dioden. Ökningen av ledningsförmåga i strömningszonen vid hög ström håller spänningen i framriktningen på ett lågt värde.

Tåligheten för överström för enheter av kiselkarbid kommer från enhetens ensidiga egenskaper och dess relativt höga resistans i strömningslagret. Den sammansatta PIN- och Schottky-strukturen förbättrar även tålighetsparametern och det P-dopade områdets geometriska placering, storlek samt att dopningskoncentrationen påverkar de slutliga egenskaperna. Spänningsfallet i framriktningen är en kompromiss mellan läckaget och den nominella överströmmen.

Vid omvänd förspänning tvingar de P-dopade områdena hela området med maximal fältstyrka nedåt och bort från metallbarriären med dess felaktigheter och in i det nästan felfria strömningslagret, vilket minskar den totala läckageströmmen. Detta gör att en sammansatt PIN- och Schottky-enhet har en högre genombrottsspänning med samma läckageström och tjocklek för strömningslagret.

Den sammansatta PIN- och Schottky-strukturen från Vishay använder tunnfilmsteknik. Laserhärdning används för att tunna ut baksidan av diodens struktur, vilket minskar spänningsfallet i framriktningen med 0,3 V jämfört med tidigare lösningar. Dessutom är diodernas spänningsfall i framriktningen nästan temperaturoberoende (figur 2).

Figur 2: En jämförelse av spänningsfallen i framriktningen mellan strukturerna för en renodlad Schottky-diod (streckade linjer) och en sammansatt PIN- och Schottky-diod (heldragna linjer) visar att sammansatta PIN- och Schottky-dioder har ett mer konsekvent spänningsfall i framriktningen med en ökande ström i framriktningen. (Bildkälla: Vishay Semiconductors)

Diagrammet visar spänningen i framriktningen för båda typerna av dioder som en funktion av strömmen i framriktningen med temperaturen som parameter. Spänningsfallen i framriktningen för de renodlade Schottky-dioderna ökar exponentiellt för ström över 45 A. Den sammansatta PIN- och Schottky-dioden bibehåller ett mer konsekvent spänningsfall i framriktningen med en ökande ström i framriktningen. Observera att spänningen i framriktningen minskar med ökande temperatur för högre nivåer av ström i framriktningen i den sammansatta PIN- och Schottky-dioden.

Exempel på sammansatta PIN- och Schottky-dioder

Avancerade sammansatta PIN- och Schottky-dioder av kiselkarbid från Vishay är klassificerade för toppspänningar i backriktningen på 1 200 V med en strömstyrka på 5 till 40 A. VS-3C05ET12T-M3 (figur 3) är exempel på en diod för montering med genomgående hål i en TO-220-2-kapsling och är klassificerad för en ström i framriktningen på 5 A, med en spänning i framriktningen på 1,5 V vid dess fulla märkström. Diodens läckageström i backriktningen är 30 µA och den är klassificerad för en maximal driftstemperatur på +175 °C.

Figur 3: Den sammansatta PIN- och Schottky-dioden VS-3C05ET12T-M3 av kiselkarbid levereras i en kapsling för montering med genomgående hål och är klassificerad för en ström i framriktningen på 5 A, med en spänning i framriktningen på 1,5 V vid full märkström. (Bildkälla: Vishay Semiconductor)

Diodfamiljen är det bästa valet för snabba, kraftfulla switchande tillämpningar och tillhandahåller effektiv drift i ett stort temperaturområde.

Tillämpningar för sammansatta PIN- och Schottky-dioder av kiselkarbid

Sammansatta PIN- och Schottky-dioder används normalt i en mängd olika switchande effektkretsar, som t.ex. likströmsomvandlare, inklusive sådana som använder topologier med fasförskjuten helbrygga (FBPS) och topologier för induktor-induktor-kondensator (LLC) som är vanligt förekommande i solcellstillämpningar. En annan vanlig tillämpning är i nätaggregat för växel-/likström som använder kretsar för effektfaktorkorrigering.

Effektfaktorn är förhållandet mellan den aktiva och skenbara effekten och mäter hur effektivt inkommande effekt används i elektrisk utrustning. En effektfaktor på ett är idealisk. En lägre effektfaktor innebär att den skenbara effekten är högre än den aktiva effekten, vilket leder till en ökning av den ström som krävs för att driva en viss belastning. Höga toppströmmar i belastningar med låg effektfaktor kan även orsaka harmoniska övertoner på kraftledningen. Kraftleverantörer anger i allmänhet det tillåtna intervallet för användarens effektfaktor. Nätaggregat för växel-/likström kan utformas med effektfaktorkorrigeringen inkluderad (figur 4).

Figur 4: Här visas ett exempel på ett typiskt aktivt steg för effektfaktorkorrigering som är implementerat i ett nätaggregat för växel-/likström med en boost-omvandlare. (Bildkälla: Vishay Semiconductor)

I figur 4 omvandlar likriktarbryggan B1 växelströmmen till likström. MOSFET Q1 är en elektronisk omkopplare som slås "på" och "av" med en effektfaktorkorrigerande krets (visas inte). När MOSFET:en är "på" ökar strömmen linjärt genom induktorn. Vid denna punkt är dioden av kiselkarbid förspänd i backriktningen av spänningen på utspänningens kondensator (C_OUT), och det låga läckaget i diodens backriktning minimerar läckageförlusterna. När MOSFET:en är "av" levererar induktorn en linjärt minskande ström till C_OUT genom den framriktningsförspända liktriktardioden.

I en effektfaktorkorrigerande krets med kontinuerligt ledningsläge sjunker induktorns ström aldrig till noll under hela switchningscykeln. Effektfaktorkorrigering med kontinuerligt ledningsläge är vanligt i nätaggregat som levererar flera hundra watt eller mer. MOSFET:en är pulsbreddsmodulerad av den effektfaktorkorrigerande kretsen så att nätaggregatets ingångsimpedans verkar vara rent resistiv (en effektfaktor på ett) och förhållandet mellan topp- och medelström hålls låg (figur 5).

Figur 5: Här visas momentan- och genomsnittsströmmar i en effektfaktorkorrigerande boost-krets med kontinuerligt ledningsläge. (Bildkälla: Vishay Semiconductor)

Till skillnad från driftlägen med diskontinuerlig och kritisk ström, där induktorströmmen når noll och dioden växlar i ett icke förspänt läge, sjunker induktorströmmen i en krets med kontinuerligt ledningsläge aldrig till noll, så när omkopplaren ändrar läge finns det en induktorström som inte är noll. När dioden växlar till ett omvänt tillstånd bidrar återställningen i backriktningen avsevärt till förlusterna. Genom att använda en sammansatt PIN- och Schottky-diod av kiselkarbid elimineras förlusterna. Den minskade switchningsförlusten tack vare användningen av sammansatta PIN- och Schottky-dioder av kiselkarbid gör att kretsstorleken och kostnaden för både dioden och den aktiva switchen minskar.

Sammanfattning

I en jämförelse med kisel har sammansatta PIN- och Schottky-dioder av kiselkarbid en högre märkström i framriktningen, lägre spänningsfall i framriktningen samt minskade återställningsförluster i backriktningen, allt i en mindre kapsling och med högre temperaturklassificering. Därför är de väl lämpade för användning i konstruktioner för switchade nätaggregat.