Käytä SiGe-tasasuuntaajia korkean hyötysuhteen AC/DC-muunnoksiin korkean lämpötilan sovelluksissa

Viime aikoihin asti insinööreillä oli valittavana kaksi perinteistä vaihtoehtoa diodipohjaisiksi tasasuuntaajiksi nopeasti kytkevien AC/DC-virtalähteiden ytimessä: Schottky-tasasuuntaajat tai nopeasti toipuvat tasasuuntaajat. Schottky-tasasuuntaajat tarjoavat vähähäviöisen kytkennän ja hyvän hyötysuhteen, mutta ovat alttiita lämpöryntäyksille korkeille lämpötiloille altistuvissa rakenteissa, kuten autojen lediajovaloissa tai elektronisissa ohjausyksiköissä (ECU). Nopeasti toipuvat diodit ovat vakaampia korkeammissa lämpötiloissa, mutta niiden hyötysuhde on alhaisempi.

Pii-germanium-tasasuuntaajat (SiGe) ovat uusi kolmas vaihtoehto ja ne eliminoivat monia muiden tyyppien huonoja puolia yhdistämällä Schottky-tasasuuntaajien ja nopeasti toipuvien laitteiden parhaat ominaisuudet. Erityisesti SiGe-tasasuuntaajien lämpöstabiilius on korkea, mikä tekee niistä hyvän vaihtoehdon korkeita lämpötiloja vaativiin sovelluksiin.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti tasasuuntaajien perusteita ja niihin liittyviä haasteita, ja artikkeli sisältää perinteisten Schottky- ja nopeasti toipuvien tasasuuntaajien välisen vertailun. Siinä kerrotaan myös, miten SiGe-tasasuuntaaja-arkkitehtuuri yhdistää molempien hyvät puolet. Artikkelissa havainnollistetaan Nexperian esimerkkilaitteiden avulla SiGe-tasasuuntaajan tärkeimpiä ominaisuuksia ja kerrotaan, miten SiGe-laitteita voidaan käyttää korkeaan lämpötilaan ja nopeasti kytkeviin AC/DC-sovelluksiin liittyvien ongelmien ratkaisemiseen.

Tasasuuntaajien perusteet

Tasasuuntaajat ovat virtalähteiden keskeisiä piirejä, joita käytetään vaihtovirtajännitteen muuntamiseen tasavirtajännitelähteeksi, jota voidaan sitten käyttää syöttämään virtaa elektronisiin komponentteihin. Vaikka topologioita on monia (esimerkiksi puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaajat), tasasuuntaajien tärkeimpänä komponenttina on yksi tai useampia diodeja.

Yksinkertaisin diodin muoto on seostettu p-n-piiliitos (Si). Kun diodi on biasoitu myötäsuuntaan (virtalähteen positiivinen napa kytketään komponentin p-tyypin puolelle ja negatiivinen n-tyypin puolelle) ja jännite ylittää diodin luontaisen ”estopotentiaalin” tai myötäsuuntaisen jännitehäviön (joka on Si-diodilla noin 0,7 volttia), diodin läpi pääsee kulkemaan suuri myötävirta (I_F). Tämän jälkeen I_F kasvaa suhteessa virtalähteen jännitteen (V_F) kasvuun. Estopotentiaalin yläpuolella V_F vs. I_F -käyrän gradientti määräytyy suurelta osin diodin bulkkivastuksen mukaan, mutta se on tyypillisesti hyvin jyrkkä, kuvassa esimerkkinä Nexperian BAS21H (kuva 1) Tästä syystä diodi kytketään usein sarjaan vastuksen kanssa laitteen suojaamiseksi liian korkealta virralta.

Kuva 1: Nexperia BAS21H -kytkindiodin V_F vs. I_F -ominaiskäyrä Huomaa, että johtavuus alkaa tässä p/n-tyyppisessä Si-diodissa noin 0,7 voltin jännitteestä. (Kuvan lähde: Nexperia)

Kun jännite käännetään (V_R), syntyy vastaavasti pieni käänteinen vuotovirta (I_R). Alhaisissa käyttölämpötiloissa I_R on merkityksetön, mutta koska se on lämpötilariippuvainen arvo, se voi muodostua suuremmaksi ongelmaksi korkeissa käyttölämpötiloissa. Kun V_R on suuri, diodi siirtyy vyörypurkaustilaan ja se läpi kulkee niin suuri sähkövirta, että se usein vaurioittaa komponenttia pysyvästi. Tätä estojännitteen kynnysarvoa kutsutaan läpilyöntijännitteeksi (V_br). Valmistajat antavat teknisissä taulukoissaan tyypillisesti suurimman sallitun käänteisen käyttöjännitteen (V_rmax) joka on pienempi kuin V_br muodostaen näin turvamarginaalin (kuva 2).

Kuva 2: P/n-tyyppisen diodin V-I-käyrän tärkeimmät parametrit sisältävät myötäjännitteen (V_F), estosuunnan virran (I_R) ja läpilyöntijännitteen (V_br). (Kuvan lähde: Wikipedia)

Kun diodin tila vaihtuu kytkentäsovelluksessa estosuuntaiseksi, siinä on yhä niin suuri varaus, että estosuuntaan voi kulkea merkittävä virta. Tämä niin kutsuttu estosuunnan toipumisaika (t_rr) on tärkeä suunnitteluparametri erityisesti korkeataajuussovelluksissa. Sellaisten seosaineiden kuten kullan tai platinan käyttö diodiliitoksen muodostavissa p- ja n-tyypin puolijohteissa lyhentää huomattavasti t_rr-aikaa. Näitä materiaaleja käyttävien niin sanottujen nopeasti toipuvien diodien t_rr on muutamia kymmeniä nanosekunteja (ns). Tämän nopean kytkentätehon huono puoli on korkeampi V_F; se voi tyypillisesti nousta 0,7 voltista 0,9 volttiin, mikä heikentää hyötysuhdetta. Nopeasti toipuvan diodin I_R-arvo on kuitenkin edelleen vastaava kuin perinteisen p/n-tyyppisen Si-diodin.

Käytännössä diodin ominaisuudet sallivat suuren virran kulun vain yhteen suuntaan ja estävät sinimuotoisen vaihtovirta-aallon negatiivisen puolikkaan, jolloin jännitelähde itse asiassa tasasuunnataan tasavirtalähteeksi.

Lämpöön liittyvät suunnitteluhaasteet

AC/DC-muuntosovelluksissa insinöörit etsivät yleensä tehokkaimpia komponentteja tehohäviön vähentämiseksi ja lämpöongelmien rajoittamiseksi.

V_F on merkittävin diodin hyötysuhdetta määrittävä tekijä. Schottky-diodit ovat parannus perusdiodeihin, koska p- ja n-tyypin Si-liitos korvataan metalli/n-tyypin Si-vaihtoehdolla. Tämän seurauksena myötäjännitehäviö pienenee 0,15–0,45 volttiin (vallimetallin valinnasta riippuen). Schottky-diodin lisäetuna on erittäin nopea t_rr (luokkaa 100 pikosekuntia (ps)). Schottky on näiden ominaisuuksien ansiosta suosittu valinta tasasuuntaajaksi sellaisissa sovelluksissa kuten korkeataajuiset hakkurivirtalähteet.

Schottky-tasasuuntaajalla on kuitenkin merkittäviä huonoja puolia. Sillä on esimerkiksi suhteellisen alhainen V_rmax verrattuna p/n-tyyppisiin Si-diodeihin. Toisena ja ehkä kriittisempänä seikkana on se, että Schottky-tasasuuntaajilla on suhteellisen korkea I_R-arvo, joka voi olla jopa satoja mikroampeereja (µA) verrattuna p/n-tyyppisten Si-diodien satoihin nanoampeereihin (nA) vastaavissa sovelluksissa. Mikä vielä pahempaa, I_R nousee eksponentiaalisesti liitoslämpötilan (T_j) myötä (kuva 3).

Kuva 3: V_R vs. I_R -ominaiskäyrä yleiskäyttöiselle Nexperia 1PS7xSB70 Schottky-diodille. I_R on tyypillisesti paljon korkeampi kuin vastaavalla p/n-tyyppisellä Si-diodilla ja se kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan myötä. (Kuvan lähde: Nexperia)

Diodipohjaisen tasasuuntaajan lämpöstabiilisuus määräytyy seuraavien tekijöiden välisen herkän tasapainon perusteella: laitteen oman I_R-virran synnyttämä lämpö ja toisaalta paljonko tasasuuntaaja pystyy haihduttamaan lämpöä järjestelmän termisen resistanssin kautta (kuva 4). Jos tasasuuntaaja on lämpötasapainossa, T_j (kun kiinteä ympäristön lämpötila (T_amb) on termisenä ”maana”) voidaan kuvata seuraavasti:

Yhtälössä:

R_th(j-a) = Diodiliitoksen ja ympäristön välinen terminen resistanssi

P_dissipated = Laitteen tehohäviö

Kuva 4: Käytettävän diodin termiset resistanssit. (Kuvan lähde: Nexperia)

Jos laitteen itsensä synnyttämä lämpöteho on käytön aikana pienempi kuin sen haihduttama teho, laitteen T_j konvergoi kohti vakaata tilaa (kuva 5). Jos laite kuitenkin generoi enemmän lämpöä kuin sitä voidaan haihduttaa, T_j kasvaa, kunnes laitteesta tulee lopulta termisesti epävakaa. Tilanne muuttuu nopeasti lämpöryntäykseksi, koska I_R kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan noustessa ja laukaisee siten positiivisen takaisinkytkentäsilmukan.

Kuva 5: Esimerkkidiodin vakaa toimintatila määräytyy seuraavien tekijöiden tasapainon perusteella: termisen järjestelmän kyky haihduttaa lämpöä termisen resistanssin kautta (sininen viiva (1)) ja tasasuuntaajan omasta käänteisestä vuotovirrasta (I_R) (ja kytkentähäviöistä) johtuva lämpöteho (punainen viiva (2)). Huomaa, kuinka laitteen itsensä tuottama lämpöteho nousee eksponentiaalisesti järjestelmän lämpötilan noustessa, mikä aiheuttaa lämpöryntäyksen. (Kuvan lähde: Nexperia)

Suunnittelijalla on suuri lämpöryntäyksen vaara, jos sovelluksessa käytettävä Schottky-diodi altistuu korkeille ympäristölämpötiloille, ellei sen tehoa ole merkittävästi rajoitettu yli 145 °C:n lämpötiloissa. Tästä syystä insinöörit pyrkivät välttämään Schottky-diodia sellaisissa sovelluksissa kuten nopeasti kytkevissä lediohjaimissa tai konetiloissa sijaitsevissa autojen elektronisissa ohjausyksiköissä. Tähän asti insinöörin vaihtoehdoksi on jäänyt vain nopeasti toipuva diodi, jolla on alhainen I_R-arvo ja joka on siten paljon vähemmän altis lämpöryntäyksille, ja jonka hyötysuhde on alhaisempi.

SiGe-tasasuuntaajavaihtoehto

Nopeasti toipuvista diodeista koostuva suppea valikoima korkeaa lämpötilaa ja/tai korkeaa V_rmax-jännitettä vaativissa käyttökohteissa on laajentunut SiGe-dioditekniikan myötä, joka yhdistää Schottky-diodien ja nopeasti toipuvien diodien edut yhteen laitteeseen. Näissä tasasuuntaajissa Schottkyn vallimetalli/n-tyyppinen Si-liitos korvataan SiGe/n-tyyppisellä Si-liitoksella (kuva 6).

Kuva 6: SiGe-tasasuuntaaja korvaa Schottkyn metallivallin SiGe:llä. Tuloksena on pienempi energiarako, elektronien suurempi liikkuvuus ja korkeampi varauksenkuljettajien ominaistiheys. (Kuvan lähde: Nexperia)

SiGe on nimensä mukaisesti piin ja germaniumin seos. Puolijohteen tärkeimpiä etuja ovat pienempi energiarako (energiarako on puolijohteen valenssivyön ja johtavuusvyön välinen energiaero elektronivoltteina (eV)), kytkemiskyky korkeammilla taajuuksilla, elektronien suurempi liikkuvuus ja korkeampi varauksenkuljettajien ominaistiheys kuin piillä. SiGe:n alhaisempi energiarako laskee Si/n-tyyppisen SiGe-liitoksen V_F-jännitteen noin 0,75 volttiin, mikä on noin 150 millivolttia (mV) alhaisempi kuin nopeasti toipuvalla diodilla.

Alhaisempi V_F vähentää käytännössä diodin johtavuushäviöitä noin 20 prosentilla nopeasti toipuvaan diodiin verrattuna. Vaikka komponenttien hyötysuhde riippuu useista tekijöistä, kuten sovelluksen käyttöjaksosta, insinööri voi kohtuudella odottaa 5–10 prosentin parannusta vastaavissa sovelluksissa. Lisäksi SiGe-diodin I_R on alhaisempi kuin Schottky-diodin (kuva 7).

Kuva 7: SiGe-tasasuuntaajilla on alhaisempi I_R kuin Schottky-laitteilla (parempi korkeissa lämpötiloissa) ja alhaisempi V_F kuin nopeasti toipuvilla tasasuuntaajilla (korkeampi hyötysuhde). (Kuvan lähde: Nexperia)

SiGe-diodin korkean varausominaistiheyden ja elektronien/aukkojen liikkuvuuden ansiosta sen t_rr on alhainen, joten se pystyy nopeaan kytkentään. Tämä nopea kytkentä on mahdollista myös suhteellisen alhaisen loiskapasitanssin ja -induktanssin vuoksi. Koska SiGe-diodilla on alhaisempi estosuunnan toipumisvaraus (Q_RR) ja alhaisempi estosuunnan toipumisvirta (I_RR) kuin vastaavalla Schottky-tasasuuntaajalla, sen kytkentähäviöt ovat alhaisemmat. Tämä on erittäin tärkeää, koska korkeataajuussovelluksissa nämä kytkentähäviöt muodostavat merkittävän osan kokonaishäviöistä. Alhaisen I_R-virran ja alhaisten kytkentähäviöiden yhdistelmä eliminoi lähes kokonaan lämpöryntäyksen vaaran.

SiGe-diodien valinta ja käyttö

SiGe-transistorit ovat olleet markkinoilla jo useita vuosia, mutta SiGe-diodit ovat uudempi tulokas. Esimerkiksi Nexperian SiGe-tasasuuntaajat PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX ja PMEG120G30ELPJ kuuluvat perheeseen, joka on saatavilla kompakteissa ja lämpötehokkaissa CFP3 (Clip-bonded FlatPower)- ja CFP5-koteloissa (kuva 8). Tästä kotelosta on tullut alan standardi tehodiodeille.

Kuva 8: PMEG120G10ELRX SiGe-tasasuuntaaja toimitetaan CFP5-kotelossa, joka säästää tilaa ja tehostaa lämmönsiirtoa. (Kuvan lähde: Nexperia)

Kotelon kiinteä kupariklipsi minimoi termisen resistanssin lämmönsiirron tehostamiseksi, minkä ansiosta suunnittelijat voivat käyttää kompaktimpia piirilevyjä. CFP3 vähentää tasasuuntaajan tilantarvetta 38 prosentilla ja CFP5 jopa 56 prosentilla SMA- ja SMB-koteloihin verrattuna.

Kun uutta tekniikkaa otetaan käyttöön, suunnittelijoiden on tavallisesti otettava huomioon toteutukseen liittyvät muuttujat. Nexperia SiGe -diodien tapauksessa samaa koteloa käytetään myös yrityksen Schottky- ja nopean toipumisen diodeissa, mikä mahdollistaa niiden korvaamisen suoraan korkean lämpötilan sovelluksia, kuten ledivalaistusta, autojen ECU-yksikköjä, palvelinten virtalähteitä ja viestintäinfrastruktuuria, varten.

SiGe-tasasuuntaajien V_rmax-jännite on jopa 120 volttia (näytteinä on saatavana 150 ja 200 voltin versioita), mikä ylittää selvästi useimpien Schottky-diodien 100 voltin rajan. Lisäksi laitteita on testattu jopa 200 °C:n lämpötilaan asti ilman lämpöryntäystä tai tehon alenemista (kuva 9). Huomaa, että komponenttien 175 °C:n käyttölämpötilaraja (turvallinen toiminta-alue (SOA)) ei määräydy niinkään diodin vaan komponentin kotelon mukaan. Kuva 10 näyttää miten SiGe-diodien immuniteetti lämpöryntäykselle mahdollistaa Schottky-diodeihin verrattuna laajemman turvallisen toiminta-alueen.

Kuva 9: Nexperia SiGe -tasasuuntaajat eivät kärsi Schottky-tasasuuntaajien lämpöryntäyksestä korkeissa lämpötiloissa. (Kuvan lähde: Nexperia)

Kuva 10: Immuniteetti lämpöryntäykselle mahdollistaa SiGe-tasasuuntaajien laajemman turvallisen toiminta-alueen Schottky-tasasuuntaajiin verrattuna. (Kuvan lähde: Nexperia)

Nexperia SiGe -tasasuuntaajat tarjoavat 1, 2 ja 3 ampeerin (A) I_F-virran alhaisella I_R-virralla 0,2 nA (V_R = 120 volttia (pulssimainen), T_j = 25 °C), joka nousee arvoon 10 µA korkeammissa lämpötiloissa (V_R = 120 volttia (pulssimainen), T_j = 150 °C). Schottky-diodien tavoin tasasuuntaajat ovat hyvä valinta nopeisiin kytkentävaihtoehtoihin, koska niiden kytkentähäviöt ovat pieniä ja t_rr 6 ns. Tuotteilla on AEC-Q101-hyväksyntä.

Yhteenveto

Schottky-tasasuuntaajat ovat luotettava vaihtoehto korkean hyötysuhteen ja korkean taajuuden AC/DC-muuntimiin, mutta niiden suhteellisen korkea I_R-virta voi johtaa korkeita lämpötiloja vaativissa sovelluksissa vahingollisiin lämpöryntäyksiin. Tämän vuoksi suunnittelijat joutuivat turvautumaan korkean lämpötilan hakkurimuuntimissa vähemmän tehokkaisiin, mutta lämpöstabiileihin nopeasti toipuviin diodeihin.

Kuten edellä on näytetty, transistoreista tuttu SiGe-teknologia on kuitenkin tullut kaupallisesti saataville myös diodeihin. Tässä uudessa laiteluokassa yhdistyvät Schottkyn hyötysuhde ja nopeat kytkentäominaisuudet sekä nopeasti toipuvien diodien lämpöstabiilisuus. Ne ovat näin ollen hyvä ratkaisu ympäristöihin, joissa on korkea lämpötila, kuten ledivalaistus, autojen ohjausyksiköt, palvelinten virtalähteet ja viestintäinfrastruktuuri.