Gebruik MPS SiC-diodes voor minimale verliezen in schakelende voedingen voor hoge frequenties

Hoogfrequentie-schakelcircuits, zoals die voor arbeidsfactorcorrectie (PFC) met gebruik van continue geleidingsmodus (CCM), vereisen diodes met lage schakelverliezen. Voor conventionele silicium (Si) diodes in CCM-modus zijn deze schakelverliezen het gevolg van de omkeerherstelstroom van de diode door de opgeslagen lading in de diodeovergang tijdens het uitschakelen. Het minimaliseren van deze verliezen vereist doorgaans een Si-diode met een hogere gemiddelde doorlaatstroom, wat leidt tot een groter fysiek formaat en hogere kosten.

Een diode van siliciumcarbide (SiC) is een betere keuze in een CCM PFC-schakeling omdat de omkeerherstelstroom alleen capacitief van aard is. Verminderde injectie van minderheidsdragers in een SiC-component betekent dat het schakelverlies van een SiC-diode bijna nul is. Bovendien verlagen samengevoegde PIN Schottky (MPS) SiC-diodes de doorlaatspanningsval van het component, vergelijkbaar met een conventionele SiC Schottky-diode. Hierdoor worden de geleidingsverliezen nog verder verlaagd.

In dit artikel wordt allereerst kort de uitdaging van schakelen met lage verliezen in CCM PFC-schakelingen besproken. Vervolgens wordt aan de hand van een voorbeeld MPS van Vishay General Semiconductor - Diodes Division getoond hoe deze kan worden toegepast om verliezen te minimaliseren.

Schakelvereisten voor lage verliezen

Schakelende AC/DC-voedingen (SMPS, switch mode power supplies) met een vermogen van meer dan 300 watt maken meestal gebruik van PFC om te voldoen aan internationale normen zoals IEC61000-4-3, die reactief vermogen en harmonische lijnniveaus specificeren. De diodes in een PFC-voeding, vooral in schakelende voedingen die op hoge frequenties werken, moeten het nominale vermogen van de voeding en de gerelateerde verliezen die gepaard gaan met de geleidings- en schakelacties van het circuit aankunnen. Si-componenten hebben merkbare omkeerherstelverliezen. Wanneer een Si-diode overschakelt van een geleidende naar een niet-geleidende toestand, blijft de diode geleiden terwijl geladen dragers uit de overgang worden verwijderd. Dit resulteert in een aanzienlijke stroom voor de duur van de omkeerhersteltijd van de diode, die het uitschakelverlies van de Si-diode wordt.

Het omkeerherstel van SiC Schottky-diodes is beperkt tot capacitieve ontlading, die sneller optreedt, waardoor het uitschakelverlies effectief geëlimineerd wordt. SiC-diodes hebben een hogere doorlaatspanningsval, wat kan bijdragen aan geleidingsverliezen, maar deze spanningsval kan worden beheerst. SiC-diodes hebben ook het voordeel dat ze een hoger temperatuurbereik aankunnen en sneller kunnen schakelen. Dankzij dit hogere temperatuurbereik is een grotere vermogensdichtheid mogelijk en dus een kleiner pakket. Het sneller schakelen is te danken aan de Schottky-structuur en de kortere omkeerhersteltijd van SiC. Werken met hogere schakelfrequenties resulteert in kleinere inductor- en condensatorwaarden om de volumetrische efficiëntie in de voeding te verbeteren.

De SiC MPS-diode

De SiC MPS-diode combineert de nuttige eigenschappen van zowel Schottky- als PIN-diodes. De structuur resulteert in een diode met snel schakelen, een lage spanningsval in de aan-stand, een lage lekstroom in de uit-stand en goede eigenschappen bij hoge temperaturen.

Een diode met een zuivere Schottky-overgang biedt de laagst mogelijke doorlaatspanning, maar is onderhevig aan problemen bij hoge stromen, zoals de piekstromen in sommige PFC-toepassingen. MPS-diodes verbeteren de piekstroomprestaties door P-gedoteerde gebieden onder de metalen driftzone van de Schottky-structuur te implanteren (afbeelding 1). Dit vormt een P-ohmig contact met het metaal bij de anode van de Schottky-diode en een P-N-overgang met de licht gedoteerde SiC-drift- of epi-laag.

Afbeelding 1: Vergelijkingsdiagram van de structuren van SiC Schottky-diode (links) en MPS-diode (rechts). (Bron afbeelding: Vishay Semiconductor)

Onder normale omstandigheden geleidt de Schottky-structuur van de MPS-diode bijna de volledige stroom en gedraagt de diode zich als een Schottky-diode, met de bijbehorende schakeleigenschappen.

Bij een hoge tijdelijke piekstroom stijgt de spanning over de MPS-diode tot boven de drempelspanning van de ingebouwde P-N-diode, die begint te geleiden, waardoor de lokale weerstand daalt. Dit leidt de stroom om door de P-N-overgangsgebieden, wat de vermogensdissipatie beperkt en de thermische spanning in de MPS-diode vermindert. Deze toename in geleiding van de driftzone bij een hoge stroom houdt de doorlaatspanning op een lage waarde.

De piekstroomprestaties van SiC-componenten zijn te danken aan de unipolaire aard van het component en de relatief hoge driftlaagweerstand. De MPS-structuur verbetert ook deze prestatieparameter en de geometrische plaatsing, grootte en doteringsconcentratie van het P-gedoteerde gebied beïnvloeden de uiteindelijke eigenschappen. De doorlaatspanningsval is een compromis tussen de lek- en piekstroomwaarden.

In sperrichting dwingen de P-gedoteerde gebieden het totale gebied van maximale veldsterkte omlaag en weg van de metalen barrière met zijn imperfecties en naar de bijna defectvrije driftlaag, waardoor de totale lekstroom afneemt. Hierdoor kan een MPS-component bij een hogere doorslagspanning met dezelfde lekstroom en driftlaagdikte werken.

De MPS-structuur van Vishay maakt gebruik van dunnefilmtechnologie, waarbij de achterkant van de diodestructuur dunner wordt gemaakt met behulp van laser annealing, waardoor de doorlaatspanning 0,3 volt lager uitvalt dan bij eerdere oplossingen. Bovendien zijn de doorlaatspanningsverliezen van de diodes bijna temperatuursonafhankelijk (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een vergelijking van de doorlaatspanningsverliezen tussen de zuivere Schottky-diodestructuur (stippellijnen) en een MPS-diodestructuur (ononderbroken lijnen) laat zien dat de MPS-diode een consistentere doorlaatspanningsval behoudt bij toenemende doorlaatstroom. (Bron afbeelding: Vishay Semiconductor)

Deze grafiek toont de doorlaatspanning van beide typen diodes als functie van de doorlaatstroom met temperatuur als parameter. De doorlaatspanningsverliezen voor de zuivere Schottky-dioden nemen exponentieel toe bij een stroom hoger dan 45 ampère (A). De MPS-diode behoudt een consistentere spanningsval bij een toenemende doorlaatstroom. Merk op dat de doorlaatspanning afneemt met toenemende temperatuur voor hogere doorlaatstroomniveaus in de MPS-diode.

Voorbeelden van MPS-diodes

De geavanceerde SiC MPS-dioden van Vishay heeft een nominale piekspanning in sperrichting van 1200 V met doorlaatstroomwaarden van 5 tot 40 A. Als voorbeeld is de VS-3C05ET12T-M3 (afbeelding 3) een diode voor doorvoermontage in een TO-220-2-pakket die gespecificeerd voor een doorlaatstroom van 5 A, met een doorlaatspanning van 1,5 volt bij de volledige nominale stroom. De sperstroom van de diode is 30 microampère (µA) en de diode is geschikt voor een maximale bedrijfstemperatuur van +175 °C.

Afbeelding 3: De VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS-diode wordt geleverd voor doorvoermontage en heeft een nominale doorlaatstroom van 5 A, met een doorlaatspanning van 1,5 volt bij de volledige nominale stroom. (Bron afbeelding: Vishay Semiconductor)

Deze diodeserie is de beste keuze voor snelle, hard-schakelende toepassingen en levert een efficiënte werking over een breed temperatuurbereik.

Toepassingen met MPS SiC-diodes

MPS-diodes worden meestal toegepast in een grote verscheidenheid aan geschakelde stroomcircuits, zoals DC/DC-omzetters, inclusief die met volledige brugfaseverschuiving (FBPS) en inductor-inductor-condensator (LLC) topologieën die vaak voorkomen in fotovoltaïsche toepassingen. Een andere veel voorkomende toepassing is in AC/DC-voedingen met PFC-circuits.

De arbeidsfactor is de verhouding tussen actief en schijnbaar vermogen en geeft aan hoe efficiënt binnenkomend vermogen wordt gebruikt in elektrische apparatuur. Een arbeidsfactor van één is ideaal. Een lagere arbeidsfactor betekent dat het schijnbare vermogen groter is dan het actieve vermogen, waardoor de stroom die nodig is om een bepaalde belasting aan te drijven, toeneemt. Hoge piekstromen in belastingen met lage arbeidsfactoren kunnen ook harmonischen op de voedingslijn veroorzaken. Energieleveranciers specificeren over het algemeen het toegestane bereik van de arbeidsfactor van de gebruiker. AC/DC-voedingen kunnen worden ontworpen met PFC inbegrepen (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Voorbeeld van een typische actieve PFC-fase die is geïmplementeerd in een AC/DC-voeding met een boost converter. (Bron afbeelding: Vishay Semiconductor)

In afbeelding 4 zet de bruggelijkrichter B1 de inkomende wisselstroom om in gelijkstroom. MOSFET Q1 is een elektronische schakelaar die ‘aan’ en ‘uit’ wordt gezet door een PFC-IC (niet afgebeeld). Zolang de MOSFET ‘aan’ staat, neemt de stroom door de spoel lineair toe. Op dit moment wordt de SiC-diode in omgekeerde bias gehouden door een spanning op de uitgangscondensator (C_OUT), terwijl de lage sperstroom van de SiC-diode het lekverlies minimaliseert. Wanneer de MOSFET ‘uit’ is, levert de spoel een lineair afnemende stroom aan C_OUT via de uitgangsgelijkrichterdiode in doorlaatrichting.

In een CCM PFC-schakeling daalt de inductorstroom niet tot nul tijdens de volledige schakelcyclus. CCM PFC’s komen vaak voor in voedingen die enkele honderden of meer watt leveren. De MOSFET-schakelaar wordt pulsbreedtegemoduleerd (PWM) door het PFC-IC, zodat de ingangsimpedantie van het voedingscircuit zuiver resistief lijkt (een arbeidsfactor van één heeft) en de verhouding tussen de piekstroom en de gemiddelde stroom, de crestfactor, laag wordt gehouden (afbeelding 5).

Afbeelding 5: Momentane en gemiddelde stromen in een CCM PFC boost-schakeling. (Bron afbeelding: Vishay Semiconductor)

In tegenstelling tot de bedrijfsmodi met discontinue en kritieke stroom waarbij de inductorstroom nul bereikt en de diode in een ‘unbiased’ toestand schakelt, daalt de inductorstroom in een CCM-schakeling nooit tot nul, zodat wanneer de schakelaar van toestand verandert, er een inductorstroom is die niet nul is. Wanneer de diode naar de sperrichting overschakelt, draagt het omkeerherstel aanzienlijk bij aan de verliezen. Het gebruik van een MPS SiC-diode elimineert deze verliezen. De afname van het schakelverlies door het gebruik van de MPS SiC-diode heeft als voordeel dat de chipgrootte en de kosten voor zowel de diode als de actieve schakelaar kleiner worden.

Conclusie

Vergeleken met Si bieden MPS SiC Schottky-diodes van Vishay hogere doorlaatstroomwaarden, lagere doorlaatspanningsverliezen en minder omkeerherstelverliezen, en dat alles in een kleiner pakket met hogere nominale temperaturen. Daarom zijn ze zeer geschikt voor gebruik in ontwerpen voor geschakelde voedingen.