Použití diod SiC MPS k minimalizaci ztrát ve vysokofrekvenčních spínaných napájecích zdrojích

Vysokofrekvenční spínané obvody, jako jsou obvody pro kompenzaci účiníku („power factor correction“, PFC) využívající režim kontinuálního vedení („continuous conduction mode“, CCM), vyžadují diody, které mají nízké spínací ztráty. U běžných křemíkových (Si) diod v režimu CCM jsou tyto spínací ztráty způsobeny proudem při zotavení v závěrném směru, který vzniká v důsledku náboje uloženého v přechodu diody během vypínání. Minimalizace těchto ztrát obecně vyžaduje křemíkovou diodu s větším průměrným proudem v propustném směru, což vede k větším fyzickým rozměrům a vyšším nákladům.

Dioda na bázi karbidu křemíku (SiC) je v obvodu CCM PFC lepší volbou, protože její proud při zotavení v závěrném směru je pouze kapacitní povahy. Snížená injekce minoritních nosičů v zařízení SiC znamená, že spínací ztráty diody na bázi karbidu křemíku jsou téměř nulové. Sloučené PiN Schottkyho („merged PiN Schottky“, MPS) diody na bázi SiC navíc snižují úbytek napětí zařízení v propustném směru, podobně jako je tomu u běžných Schottkyho diod na bázi SiC. Tím se dále minimalizují ztráty při vedení.

Tento článek stručně pojednává o výzvě spínání s nízkými ztrátami v obvodech CCM PFC. Poté je zde představen příklad zařízení MPS od společnosti Vishay General Semiconductors – Diodes Division a ukázáno, jak jej lze použít k minimalizaci ztrát.

Požadavky na spínání s nízkými ztrátami

Spínané napájecí zdroje AC/DC s výkonem nad 300 wattů obvykle používají PFC, aby pomohly splnit mezinárodní normy, jako je norma IEC61000-4-3, které specifikují jalový výkon a úrovně harmonických ve vedení. Diody používané v napájecím zdroji s PFC, zejména ve spínaných napájecích zdrojích pracujících na vysoké frekvenci, musí být schopny zvládnout jmenovitý výkon zdroje a související ztráty spojené s vodivostí a spínacími činnostmi obvodu. Si zařízení mají znatelné ztráty při zotavení v závěrném směru. Když se Si dioda přepne z vodivého do nevodivého stavu, zůstane vodivá, zatímco nabité nosiče se z přechodu odstraňují. To má za následek významný průtok proudu po dobu trvání zotavení v závěrném směru diody, což se při vypnutí Si diody stává ztrátou.

Zotavení v závěrném směru Schottkyho diod na bázi SiC je omezeno na kapacitní vybíjení, ke kterému dochází rychleji, čímž se účinně eliminuje ztráta při vypínání. Diody na bázi SiC mají vyšší úbytek napětí v propustném směru, což může přispívat ke ztrátám ve vedení, ale tento úbytek lze řídit. Diody na bázi SiC mají také výhodu, že zvládnou vyšší teplotní rozsah a rychlejší spínání. Vyšší teplotní rozsah umožňuje větší hustotu výkonu, což umožňuje menší pouzdra. Rychlejší spínání je způsobeno Schottkyho strukturou a kratší dobou zotavení v závěrném směru zařízení SiC. Provoz při vyšších spínacích frekvencích má za následek menší hodnoty induktorů a kondenzátorů, což zlepšuje objemovou účinnost zdroje.

Dioda SiC MPS

Dioda SiC MPS kombinuje užitečné vlastnosti Schottkyho a PiN diod. Výsledkem konstrukce je dioda s rychlým spínáním, nízkým úbytkem napětí v zapnutém stavu, nízkým únikem ve vypnutém stavu a dobrými vysokoteplotními vlastnostmi.

Dioda využívající čistě Schottkyho přechod nabízí nejnižší možné propustné napětí, ale při vysokých proudech, jako jsou rázové proudy v některých aplikacích PFC, se potýká s problémy. Diody MPS zlepšují výkon při rázovém proudu implantací oblastí dopovaných P pod kovovou driftovou zónu Schottkyho struktury (obrázek 1). To vytváří P-ohmický kontakt s kovem na anodě Schottkyho diody a P-N přechod s lehce dopovanou driftovou nebo epitaxní vrstvou SiC.

Obrázek 1: Porovnání struktury Schottkyho diod na bázi SiC (vlevo) a diod MPS (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Vishay Semiconductors)

Za normálních podmínek vede Schottkyho struktura diody MPS téměř celý proud a dioda se chová jako Schottkyho dioda s příslušnou spínací charakteristikou.

V případě vysokého přechodového rázového proudu se napětí na diodě MPS zvýší nad prahové napětí vestavěné diody P-N, která začne vést, a sníží tak místní odpor. To odvádí proud přes oblasti přechodu P-N, omezí se ztrátový výkon a sníží tepelné namáhání diody MPS. Toto zvýšení vodivosti driftové zóny při vysokém proudu udržuje propustné napětí na nízké hodnotě.

Výkonnost zařízení SiC při rázovém proudu vychází z unipolární povahy zařízení a jeho relativně vysokého odporu driftové vrstvy. Struktura MPS zlepšuje také tento výkonnostní parametr a geometrické umístění, velikost a koncentrace dopování oblasti dopované P ovlivňují konečné charakteristiky. Úbytek napětí v propustném směru je kompromisem mezi jmenovitými hodnotami unikajícího a rázového proudu.

Při vychýlení v závěrném směru vytlačují oblasti dopované P celkovou oblast maximální intenzity pole směrem dolů a pryč od kovové bariéry s jejími nedokonalostmi do téměř bezdefektové driftové vrstvy, čímž se snižuje celkový unikající proud. To umožňuje zařízení MPS pracovat při vyšším průrazném napětí se stejným unikajícím proudem a stejnou tloušťkou driftové vrstvy.

Struktura MPS společnosti Vishay využívá technologii tenkých vrstev, při níž se k ztenčení zadní strany struktury diody používá laserové žíhání, což ve srovnání s dřívějšími řešeními snižuje úbytek napětí v propustném směru o 0,3 voltu. Kromě toho jsou úbytky napětí diod v propustném směru téměř nezávislé na teplotě (obrázek 2).

Obrázek 2: Srovnání úbytků napětí v propustném směru mezi strukturou čistých Schottkyho diod (přerušované čáry) a diod MPS (plné čáry) ukazuje, že si dioda MPS s rostoucím proudem v propustném směru udržuje konzistentnější úbytek napětí v propustném směru. (Zdroj obrázku: společnost Vishay Semiconductors)

Tento graf ukazuje napětí v propustném směru obou typů diod jako funkci proudu v propustném směru s teplotou jako parametrem. Úbytky napětí v propustném směru u čistých Schottkyho diod rostou při proudech nad 45 A exponenciálně. Dioda MPS udržuje s rostoucím proudem v propustném směru konzistentnější úbytek napětí v propustném směru. Všimněte si, že u diody MPS napětí v propustném směru klesá s rostoucí teplotou pro vyšší úrovně proudu v propustném směru.

Příklady diod MPS

Pokročilé diody SiC MPS společnosti Vishay jsou dimenzovány na 1 200 špičkových voltů v závěrném směru s jmenovitými hodnotami proudu v propustném směru 5 až 40 A. Například model VS-3C05ET12T-M3 (obrázek 3) je dioda namontovaná v průchozím otvoru v pouzdře TO-220-2 a je dimenzována na proud v propustném směru 5 A, s napětím v propustném směru 1,5 voltu při plném jmenovitém proudu. Unikající proud diody v závěrném směru je 30 µA a dioda je dimenzována na maximální provozní teplotu přechodu +175 °C.

Obrázek 3: Dioda SiC MPS VS-3C05ET12T-M3 se dodává v pouzdru do průchozího otvoru a je dimenzována na proud v propustném směru 5 A, s napětím v propustném směru 1,5 voltu při plném jmenovitém proudu. (Zdroj obrázku: společnost Vishay Semiconductors)

Tato řada diod je nejlepší volbou pro vysokorychlostní aplikace s tvrdým spínáním a poskytuje efektivní provoz v širokém rozsahu teplot.

Aplikace diod SiC MPS

Diody MPS se typicky používají v široké škále spínaných výkonových obvodů, jako jsou DC/DC měniče, včetně těch, které využívají topologie posuvu fáze plného můstku („full bridge phase shift“, FBPS) a topologie induktor-induktor-kondenzátor („inductor-inductor-capacitor“, LLC), které se běžně vyskytují ve fotovoltaických aplikacích. Další běžnou aplikací jsou napájecí zdroje AC/DC využívající obvody PFC.

Účiník je poměr činného a zdánlivého výkonu a měří, jak efektivně je v elektrických zařízeních využíván příchozí výkon. Ideální hodnota účiníku je jedna. Nižší účiník znamená, že zdánlivý výkon je větší než činný výkon, což způsobuje zvýšení proudu potřebného k pohonu konkrétní zátěže. Vysoké špičkové proudy v zátěžích s nízkým účiníkem mohou také způsobit harmonické na elektrickém vedení. Dodavatelé elektrické energie obecně specifikují povolený rozsah účiníku pro uživatele. Napájecí zdroje AC/DC mohou být navrženy se zahrnutým PFC (obrázek 4).

Obrázek 4: Příklad typického aktivního stupně PFC implementovaného v napájecím zdroji AC/DC se zvyšujícím měničem. (Zdroj obrázku: společnost Vishay Semiconductors)

Na obrázku 4 můstkový usměrňovač B1 převádí střídavý vstup na stejnosměrný. MOSFET Q1 je elektronický spínač, který je „zapínán“ a „vypínán“ pomocí integrovaného obvodu PFC (není zobrazen). Když je MOSFET „zapnutý“, proud procházející induktorem se lineárně zvyšuje. V tomto okamžiku je dioda SiC přepínána napětím v závěrném směru na výstupním kondenzátoru (C_OUT) a nízký únik v závěrném směru diody SiC minimalizuje ztráty únikem. Když je MOSFET „vypnutý“, induktor dodává lineárně klesající proud do C_OUT přes výstupní usměrňovací diodu v propustném směru.

V obvodu CCM PFC proud induktoru neklesne na nulu během celého spínacího cyklu. CCM PFC jsou běžné v napájecích zdrojích, které dodávají několik stovek nebo více wattů. Spínač MOSFET je šířkově-pulzně modulován („pulse width modulated“, PWM) integrovaným obvodem PFC tak, aby se vstupní impedance napájecího obvodu jevila jako čistě odporová (účiník jedna) a aby zůstal zachován nízký poměr špičkového a průměrného proudu, činitel výkyvu (obrázek 5).

Obrázek 5: Okamžité a průměrné proudy ve zvyšujícím obvodu CCM PFC. (Zdroj obrázku: společnost Vishay Semiconductors)

Na rozdíl od režimů přerušovaného a kritického proudu, kde proud induktoru dosáhne nuly a dioda spíná v neuspořádaném stavu, proud induktoru v obvodu CCM nikdy neklesne na nulu, takže když spínač změní stav, vzniká nenulový proud induktoru. Když se dioda přepne do závěrného stavu, zotavení v závěrném stavu významně přispívá ke ztrátám. Použití diody SiC MPS tyto ztráty eliminuje. Snížení spínacích ztrát díky použití diody SiC MPS přináší výhodu snížení velikosti čipu a nákladů na diodu i aktivní spínač.

Závěr

Schottkyho diody SiC MPS společnosti Vishay nabízejí ve srovnání s Si zařízeními vyšší jmenovitý proud v propustném směru, nižší úbytky napětí v propustném směru a nižší ztráty při zotavení v závěrném směru, a to vše v menším pouzdru s vyššími jmenovitými teplotními hodnotami. Proto jsou tyto diody vhodné pro použití v návrzích spínaných napájecích zdrojů.