Käytä MPS SiC -diodeja häviöiden minimointiin korkean taajuuden hakkurivirtalähteissä

Korkean taajuuden hakkuripiirit, kuten tehokertoimen korjaukseen (PFC) käytettävät piirit, joissa käytetään jatkuvaa johtavuustilaa (CCM), vaativat kytkentähäviöiltään alhaisia diodeja. CCM-tilassa olevien perinteisten piidiodien (Si) kytkentähäviöt johtuvat diodin estosuunnan toipumisvirrasta, joka syntyy diodiliitokseen sammutuksen aikana tallentuneesta varauksesta. Näiden häviöiden minimointi vaatii yleensä Si-diodin, jonka keskimääräinen myötäsuuntainen virta on suurempi, mikä johtaa suurempaan fyysiseen kokoon ja korkeampiin kustannuksiin.

Piikarbididiodi (SiC) on parempi valinta CCM-tilassa toimivaan PFC-piiriin, koska sen estosuunnan toipumisvirta on luonteeltaan vain kapasitiivista. Vähemmistövarauksenkuljettajan vähäisempi injektio SiC-komponentissa tarkoittaa, että SiC-diodin kytkentähäviö on lähellä nollaa. Lisäksi MPS (Merged PIN Schottky) SiC -diodit laskevat laitteen myötäsuuntaista jännitehäviötä samoin kuin perinteinen SiC Schottky -diodi. Tämä minimoi johtavuushäviöitä lisää.

Tämä artikkeli käsittelee lyhyesti vähähäviöisen kytkennän haastetta CCM PFC -piireissä. Se esittelee sen jälkeen Vishay General Semiconductor – Diodes Divisionin MPS-komponentin ja näyttää, miten sitä voidaan käyttää häviöiden minimointiin.

Vähähäviöisen kytkennän vaatimukset

AC/DC-hakkurivirtalähteissä, joiden teholuokitus on yli 300 wattia, käytetään yleensä PFC-piiriä kansainvälisten standardien, kuten IEC61000-4-3, täyttämiseksi. Nämä standardit määrittelevät loistehon ja verkon harmonisten yliaaltojen tasot. PFC-virtalähteessä, erityisesti korkealla taajuudella toimivissa hakkurivirtalähteissä, käytettävien diodien on pystyttävä käsittelemään virransyötön nimellisteho sekä piirin johtavuuteen ja hakkuritoimintoihin liittyvät häviöt. Si-komponenteissa on huomattavia estosuunnan toipumishäviöitä. Kun Si-diodi kytkeytyy johtavasta tilasta ei-johtavaan tilaan, se pysyy johtavana sillä aikaa kun varauksenkuljettajat poistetaan liitoksesta. Tämä johtaa merkittävään sähkövirtaan diodin estosuunnan toipumisaikana. Tämä muodostaa Si-diodin sammutushäviön.

SiC Schottky -diodien estosuunnan toipuminen rajoittuu kapasitiiviseen purkaukseen, joka tapahtuu nopeammin. Käytännössä tämä eliminoi sammutushäviön. SiC-diodien myötäsuuntainen jännitehäviö on korkeampi, mikä voi lisätä johtavuushäviöitä, mutta häviötä voidaan hallita. SiC-diodien etuihin kuuluu myös se, että ne kestävät korkeampia lämpötiloja ja nopeampaa kytkentää. Korkeampi lämpötila-alue sallii korkeamman tehotiheyden ja mahdollistaa näin pienemmät kotelot. Nopeampi kytkentä johtuu Schottky-rakenteesta ja piikarbidin lyhyemmästä estosuunnan toipumisajasta. Korkeampien kytkentätaajuuksien käyttö johtaa pienempiin induktori- ja kondensaattoriarvoihin, mikä parantaa virtalähteen tilavuushyötysuhdetta.

SiC MPS -diodi

SiC MPS -diodissa yhdistyvät sekä Schottky- että PIN-diodien hyödylliset ominaisuudet. Tämä rakenne tarjoaa nopeasti kytkevän diodin, jolla on pieni jännitehäviö johtavuustilassa, pieni vuoto ei-johtavuustilassa ja joka kestää hyvin korkeita lämpötiloja.

Pelkkää Schottky-liitosta käyttävä diodi tarjoaa pienimmän mahdollisen myötäsuuntaisen jännitteen, mutta sen kanssa on ongelmia korkeilla sähkövirroilla, esimerkkinä joissakin PFC-sovelluksissa esiintyvät virtapiikit. MPS-diodit parantavat virtapiikkien kestoa istuttamalla P-seostetut alueet Schottky-rakenteen metalliryömintävyöhykkeen alle (kuva 1). Tämä muodostaa P-ohmisen kosketuksen metallin kanssa Schottky-diodin anodissa ja P-N-liitoksen kevyesti seostetun SiC-siirtymä- tai epi-kerroksen kanssa.

Kuva 1: SiC Schottky- (vasen) ja MPS-diodin (oikea) rakenteen vertailu. (Kuvan lähde: Vishay Semiconductor)

MPS-diodin Schottky-rakenne johtaa normaaliolosuhteissa lähes koko virran, ja diodi käyttäytyy kuten Schottky-diodi sen kytkentäominaisuuksia myöten.

Korkean transienttivirtapiikin aikana MPS-diodin ylitse vaikuttava jännite kasvaa yli sisäänrakennetun P-N-diodin kynnysjännitteen, joka alkaa johtaa, mikä laskee paikallista vastusta. Tämä ohjaa virtaa P-N-liitosalueiden läpi ja rajoittaa tehohäviötä sekä vähentää MPS-diodin lämpökuormitusta. Tämä ryömintävyöhykkeen johtavuuden kasvu sähkövirran ollessa korkea pitää myötäsuuntaisen jännitteen alhaisena.

SiC-komponenttien suorituskyky virtapiikkien aikana johtuu komponentin unipolaarisesta luonteesta ja sen suhteellisen korkeasta ryömintäkerroksen resistanssista. MPS-rakenne parantaa myös tätä suorituskykyparametria, ja P-seostetun alueen geometrinen sijoittelu, koko ja seostuspitoisuus vaikuttavat komponentin lopullisiin ominaisuuksiin. Myötäsuuntainen jännitehäviö on vuoto- ja virtapiikkiluokitusten välinen kompromissi.

Estosuuntaisessa esijännitteessä P-seostetut alueet pakottavat koko suurimman kenttävoimakkuuden alueen alaspäin ja pois epätäydellisyyksiä sisältävästä metallivallista ja lähes virheettömään ryömintäkerrokseen, mikä pienentää kokonaisvuotovirtaa. Tämän ansiosta MPS-komponentti voi tarjota korkeamman läpilyöntijännitteen samalla vuotovirralla ja ryömintäkerroksen paksuudella.

Vishayn MPS-rakenteessa käytetään ohutkalvotekniikkaa, jossa diodirakenteen takapuolta ohennetaan laserlämpökäsittelyllä, mikä laskee myötäsuuntaista jännitehäviötä 0,3 voltilla aiempiin ratkaisuihin verrattuna. Lisäksi diodien myötäsuuntaiset jännitehäviöt ovat lähes lämpötilasta riippumattomia (kuva 2).

Kuva 2: Puhtaan Schottky- (katkoviivat) ja MPS-diodirakenteen (yhtenäiset viivat) myötäsuuntaisten jännitehäviöiden vertailu osoittaa, että myötäsuuntainen jännitehäviö pysyy MPS-diodilla tasaisempana myötäsuuntaisen virran kasvaessa. (Kuvan lähde: Vishay Semiconductors)

Tämä kuvaaja näyttää molempien diodityyppien myötäsuuntaisen jännitteen myötäsuuntaisen virran funktiona käyttämällä lämpötilaa parametrina. Puhtaiden Schottky-diodien myötäsuuntainen jännitehäviö kasvaa eksponentiaalisesti virran kasvaessa yli 45 ampeerin (A). MPS-diodin myötäsuuntainen jännitehäviö pysyy tasaisempana myötäsuuntaisen virran kasvaessa. Huomaa, että MPS-diodissa myötäsuuntainen jännite laskee lämpötilan noustessa myötäsuuntaisen virran ollessa korkea.

Esimerkkejä MPS-diodeista

Vishayn edistyneiden SiC MPS -diodien estojänniteluokitus on 1200 volttia (huippuarvo) myötäsuuntaisen virran arvoilla 5–40 A. Esimerkiksi VS-3C05ET12T-M3 (kuva 3) on To-220-2-koteloa käyttävä läpiasennettava diodi, jonka myötäsuuntainen virtaluokitus on 5 A ja sen kynnysjännite on 1,5 volttia täydellä nimellisvirralla. Diodin estosuuntainen vuotovirta on 30 mikroampeeria (μA), ja sen siirtymävyöhykkeen maksimi käyttölämpötila on +175 °C.

Kuva 3: SiC MPS -diodi VS-3C05ET12T-M3 käyttää läpiasennettavaa koteloa ja sen myötäsuuntainen virtaluokitus on 5 A ja sen kynnysjännite on 1,5 volttia täydellä nimellisvirralla. (Kuvan lähde: Vishay Semiconductor)

Tämä diodiperhe on paras valinta huippunopeisiin, kovan kytkennän sovelluksiin, ja se toimii tehokkaasti laajalla lämpötila-alueella.

MPS SiC -diodien sovellukset

MPS-diodeja käytetään tyypillisesti monenlaisissa hakkurivirtapiireissä, kuten DC/DC-muuntimissa, mukaan lukien sellaisissa, jotka käyttävät aurinkosähkösovelluksissa yleisiä vaihesiirrettyjä kokosilta- (FBPS) ja induktori-induktori-kondensaattoritopologioita (LLC). Toinen yleinen sovellus on PFC-piirejä käyttävät AC/DC-virtalähteet.

Tehokerroin on aktiivisen tehon ja näennäistehon suhde, ja se mittaa, kuinka tehokkaasti sähkölaitteissa käytetään siihen syötettävää tehoa. Tehokertoimen arvo on parhaimmillaan yksi. Pienempi tehokerroin tarkoittaa, että näennäisteho on aktiivista tehoa suurempi, mikä lisää halutun kuorman ohjaamiseen tarvittavaa virtaa. Korkeat huippuvirrat kuormissa, joiden tehokerroin on alhainen, voivat myös aiheuttaa harmonisia yliaaltoja sähköjohdossa. Sähkön toimittajat määrittelevät yleensä käyttäjän tehokertoimelle sallitun vaihteluvälin. AC/DC-virtalähteet voidaan suunnitella siten, että niihin sisältyy PFC (kuva 4).

Kuva 4: Kuvassa on esimerkki tyypillisestä aktiivisesta PFC-vaiheesta toteutettuna jännitteenkorotusmuuntimen sisältävässä AC/DC-virtalähteessä. (Kuvan lähde: Vishay Semiconductor)

Kuvassa 4 siltatasasuuntaaja B1 muuntaa AC-tulon DC-virraksi. MOSFET Q1 on elektroninen kytkin, jonka PFC-mikropiiri (ei kuvassa) kytkee ”päälle” ja ”pois päältä”. Kun MOSFET on ”päällä”, induktorin läpi kulkeva virta kasvaa lineaarisesti. Tässä vaiheessa lähtökondensaattorin (C_OUT) jännite biasoi SiC-diodin estosuuntaisesti ja SiC-diodin pieni estosuuntainen vuotovirta minimoi vuotohäviöt. Kun MOSFET on ”pois päältä”, induktori syöttää lähtökondensaattoriin C_OUT lineaarisesti laskevan virran myötäsuuntaisesti biasoidun tasasuuntauslähtödiodin kautta.

Induktorin virta ei laske CCM PFC -piirissä nollaan koko kytkentäsyklin aikana. CCM PFC -piirit ovat yleisiä virtalähteissä, joiden teholuokitus on useita satoja watteja tai enemmän. PFC-mikropiiri ohjaa MOSFET-kytkintä käyttäen pulssinleveysmodulaatiota (PWM). Näin virtalähdepiirin tuloimpedanssi näyttää puhtaasti resistiiviseltä (tehokerroin yksi) ja huippu- ja keskivirran suhde, huippukerroin, pysyy alhaisena (kuva 5).

Kuva 5: CCM PFC -korotuspiirin hetkelliset ja keskiarvovirrat. (Kuvan lähde: Vishay Semiconductor)

Toisin kuin virraltaan epäjatkuvissa ja kriittisissä toimintatiloissa, joissa induktorin virta menee nollaan ja diodi kytkee esijännitteettömässä tilassa, induktorivirta ei laske CCM-piirissä koskaan nollaan. Näin induktorivirta poikkeaa nollasta, kun kytkin vaihtaa tilaa. Kun diodi siirtyy estotilaan, estosuunnan toipuminen vaikuttaa merkittävästi häviöihin. MPS SiC -diodin käyttö eliminoi nämä häviöt. Koska MPS SiC -diodin käyttö vähentää kytkentähäviöitä, sekä diodin että aktiivisen kytkimen koko ja kustannukset vähenevät.

Yhteenveto

Vishayn MPS SiC Schottky -diodit tarjoavat Si-diodeihin verrattuna korkeammat myötäsuuntaiset virtaluokitukset, pienemmät myötäsuuntaiset jännitehäviöt ja pienemmät estosuunnan toipumishäviöt pienemmässä kotelossa ja korkeammalla lämpötilaluokituksella. Tästä syystä ne soveltuvat hyvin käytettäviksi hakkurivirtalähteissä.