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功率技術/新能源  

適合各種電源應用的碳化矽蕭特基二極體

上網時間: 2006年11月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功率因子校正  PFC  碳化矽  SiC  DCM 

功率因子校正(PFC)市場主要受與降低諧波失真有關的全球性規定影響。歐洲的EN61000-3-2是交直流供電市場的基本規定之一,在英國、日本和中國也存在類似的標準。EN61000-3-2規定了所有功耗超過75W的離線設備的諧波標準。由於北美沒有管理PFC的規定,能源節省和空間/成本的考慮成為在消費性產品、電腦和通訊領域中必須使用PFC的附加驅動因素。

主動PFC有兩種通用模式:使用三角形和梯形電流波形的DCM(不連續電流模式)和CCM(連續電流模式)。DCM模式一般用於輸出功率在75W到300W之間的應用;CCM模式用於輸出功率大於300W的應用。當輸出功率超過250W時,PFC具有成本效益,因為其它方面(比如效率)得到了補償性的提高,因此實際上不增加額外成本。

主動PFC是伺服器系統架構(SSI)一致性的要求,供電模組應該採用帶主動功率因子校正的通用電源輸入,因而可以減少諧波,符合EN61000-3-2和JEIDA MITI標準。這就需要高功率密度應用能夠提供較寬的輸入電壓範圍(85V-265V),因而為PFC級電路使用的半導體提出了特殊要求。

在輸入85V交流電壓時,必須有最低的Rdson,因為傳導熱損失與輸入電壓的3次方呈反比關係。這種MOSFET的高頻工作能夠顯著減少升壓抑制。因此電晶體的快速開關特性是必須的。升壓二極體應該具有快速開關、低Vf和低Qrr特性。為了減少MOSFET在接通時的峰值電流壓力,低Qrr是必須的。如果沒有這一特性,升壓MOSFET將增加溫度和Rdson,導致更多的功率損失,因而降低效率。在高功率密度應用中效率是取得較小體積(30W/cm3英吋)和減少被動元件尺寸的關鍵因素。因此高的開關頻率必不可少。

為了設計效率和外形尺寸最佳的CCM PFC,升壓二極體還必須具備以下一些特性:較短的反向恢復和正向恢復時間,最小的儲存電荷Q,低的漏電流和最低的開關損耗。過壓和突波電流能力非常重要,它們能夠用來處理PFC中由啟動和交流回落引起的突波和過電流。這些特性只有用碳化矽蕭特基二極體(SiC蕭特基二極體)才能實現。

由於SiC蕭特基二極體中缺少正向和反向恢復電荷,因此可以用更小的升壓MOSFET。這樣做除了成本得到降低外,元件溫度也會降低,因而使SMPS具有更高的可靠性。

由於SiC蕭特基二極體的開關行為獨立於正向電流(Iload)、開關速度(di/dt)和溫度,因此這種二極體在設計中很容易使用。在設計中採用SiC蕭特基二極體能夠實現最大的開關工作頻率(最高可達1MHz),因而可以使用更小體積的被動元件。

最低的開關損耗和低的Vf能使用更小的散熱器或風扇。另外,由於具有正溫度係數,SiC蕭特基二極體能非常方便地平行放置。

理想的高電壓二極體

新一代IFX SiC蕭特基二極體(thinQ!2G)融合了普通SiC蕭特基二極體和雙載子pn結構,因而具有非常高的突波電流承受能力和穩定的過壓特性。

圖1對SiC蕭特基二極體結構與合併後的pn蕭特基二極體概念作了比較。p區域針對發射極效率和電導率作了最佳化,因此在正向電壓超過4V時能作為突波電流的旁路通道。


圖1a:傳統SiC蕭特基二極體的截面圖,圖1b:具有合併p摻雜島的thinQ!2G SiC二極體

thinQ!2G提供改進的突波電流功能,允許針對應用中的平均電流條件進行設計,也就是說,大多數的啟動和AC回落引起的突波和過流能很好地獲得處理。圖2顯示,在正常工作狀態,thinQ!2G的行為與具有零反向恢復電荷的普通蕭特基二極體沒什麼兩樣,在大電流狀態其正向特性如同雙載子pn二極體一樣,能夠顯著減少功率損耗。


圖2:SiC蕭特基二極體和thinQ!2G的突波電流比較

由於改進的突波電流能力,使得在指定應用中採用更低標稱電流的二極體進行設計成為可能。到目前為止,二極體的突波電流額定值仍是重要的設計考慮因素。已經具有良好突波電流標稱值的6A二極體IFSM=21A@10ms的thinQ!被大幅增強為IFSM 49A@10ms的thinQ!2G。

對實際應用(6A IFX第一代SiC蕭特基二極體、PFC、寬範圍)進行的測試證實了這些改進:6A第一代SiC蕭特基二極體足以用來處理啟動時的突波電流,結溫會升高到50℃。這種情況非常接近由於蕭特基特性而引起的熱失控,如圖2所示。在通常情況下可以使用更小體積的二極體。

新的4A thinQ!2G能夠更好地處理同一應用中的啟動狀況。溫度只升高到35℃。由於是雙載子特性,因此到達最高結溫時不會產生熱量失控。設計工作於正常情況的thinQ!2G具有足夠的餘量來處理異常情況。

穩定的過壓特性

除了改進的突波電流功能外,融合pn蕭特基概念的thinQ!2G能夠承受實際的雪崩電流擊穿條件。這對目前市場上的任何其它SiC蕭特基二極體來說都是不可能的。這是低電阻率和合併蕭特基結構中p島的設計造成的,它能保證在蕭特基介面處的電場到達破壞值前開始雪崩(圖3)。


圖3:thinQ!2G穩定的過壓特性

正溫度係數使thinQ!2G具有了穩定的雪崩和過壓行為,並使直接與電力網路連接的電信和服務網路中的PFC級應用在瞬時脈衝和過壓狀態下具有更高的可靠性、抗擾性和強韌性。

在PFC級中的瞬態變化期間,過壓可以被500~550V左右的大電容器(對於常用的450V大電容器)齊納擊穿。在這種應力條件下thinQ!2G能夠遠離危險的過壓行為。這種改進的過壓和突波電流能力可減少二極體壓力,提高應用可靠性。

本文小結

利用具有獨特性能的碳化矽作為元件材料,能製造出接近理想功能特性的升壓二極體,並適合PFC應用中的各種功率等級。SiC蕭特基二極體具有的無反向恢復電荷、反向特性與開關速度、溫度和正向電流無關的特性均能減少PFC應用中的功率損耗。這對伺服器和高階PC電源來說尤其重要,因為效率提高的要求變得越來越重要,特別是要滿足80plus等法規要求時。

thinQ!2G在這些重要性能的基礎上增加了獨特的過流和過壓能力。突波電流能力有助於設計穩態工作時的額定電流值,由於可以採用更低額定電流值的二極體,因此具有成本優勢。過壓特性在電信和無線基礎應用等苛刻環境中非常重要。在這些應用中,能夠克服過壓尖峰和異常線路狀態並由此提高可靠性的強韌能力是必須的。

透過使用能夠提供最低開關損耗的SiC二極體來提高效率在UPS和太陽能轉換器等系統中經常會用到,在這些系統中每次損耗的減少都能直接帶來良好的回報。

針對日益提高的效率目標,我們希望碳化矽二極體的應用能轉移到更低的功率等級:利用thinQ!2G可以滿足更多的需要更高環境溫度、更高元件溫度和更高可靠性的應用。

作者:

Michael hallenberger

技術行銷工程師

Kerstin Hubel

電源管理及供應部產品行銷

英飛凌科技




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