SiC MPS diódák használata a veszteségek minimálisra csökkentésére nagyfrekvenciás kapcsolóüzemű tápegységekben

A nagyfrekvenciás kapcsolóüzemű áramkörökhöz, például a folyamatos vezetéses üzemmódot (CCM, continuous conduction mode) használó teljesítménytényező-javításhoz (PFC, power factor correction) kis kapcsolási veszteségű diódákra van szükség. A folyamatos vezetéses üzemmódban használt hagyományos szilíciumdiódák (Si) esetében ezek a kapcsolási veszteségek a dióda záráskor a dióda pn-átmenetében tárolt töltés miatt fellépő záróirányú áramból (visszáramból) adódnak. Ezeknek a veszteségeknek a minimálisra csökkentéséhez általában nagyobb átlagos nyitóirányú áramerősségű Si-diódára van szükség, ami nagyobb fizikai mérethez és magasabb költségekhez vezet.

A folyamatos vezetéses üzemmódú teljesítménytényező-javító (CCM PFC) áramkörökben jobb választás a szilícium-karbid (SiC) dióda, mivel a záróirányú áram csak kapacitív jellegű. Az, hogy a SiC-eszközökbe kevesebb kisebbségi töltéshordozó van beinjektálva, azt jelenti, hogy a SiC-dióda kapcsolási vesztesége közel nulla. Ezenkívül az egyesített PIN–Schottky (MPS, Merged PIN-Schottky) SiC-diódák csökkentik az eszköz nyitóirányú feszültségesését, hasonlóan a hagyományos SiC Schottky-diódákhoz. Ez még tovább csökkenti a vezetési veszteségeket.

Ez a cikk röviden ismerteti a folyamatos vezetéses üzemmódú teljesítménytényező-javító áramkörökben használt kis veszteségű kapcsolóüzemű eszközök jelentette nehézségeket. Ezután példaként bemutatja a Vishay General Semiconductor – Diodes Division (Dióda főosztály) egyik MPS diódáját, és leírja, hogyan lehet azt a veszteségek minimálisra csökkentésére használni.

A kis veszteségű kapcsolóüzemű eszközökre vonatkozó követelmények

A 300 W-nál nagyobb teljesítményű egyenirányítós kapcsolóüzemű tápegységek általában használnak valamilyen teljesítménytényező-javítást, hogy meg tudjanak felelni az olyan nemzetközi szabványoknak, mint az IEC 61000-4-3, amely a meddő teljesítményt és a hálózati felharmonikusok szintjét szabja meg. A teljesítménytényező-javítással ellátott tápegységekben, különösen a nagy frekvencián működő kapcsolóüzemű tápegységekben használt diódáknak képeseknek kell lenniük arra, hogy kezeljék a tápegység névleges teljesítményét, valamint az áramkör vezetési és kapcsolási műveleteihez kapcsolódó veszteségeket. A Si-eszközöknek észrevehető záróirányú áram miatti veszteségeik vannak. Amikor egy Si-dióda vezető állapotból nem vezető állapotba kapcsol, mindaddig vezet, amíg a töltéshordozók ki nem ürülnek a pn-átmenetből. Ez a dióda lezárási ideje alatt jelentős áramfolyást eredményez, ami a Si-dióda zárási veszteségeként jelentkezik.

A SiC Schottky-diódák zárása a kapacitív kisülésre korlátozódik, amely gyorsabban megy végbe, hatékonyan küszöbölve ki ezzel a zárási veszteséget. A SiC-diódáknak nagyobb a nyitóirányú feszültségesésük, ami hozzájárulhat a vezetési veszteségekhez, de a feszültségesés szabályozható. A SiC-diódák előnye továbbá, hogy nagyobb hőmérséklet-tartományt képesek kezelni, és gyorsabb kapcsolásokra képesek. A nagyobb hőmérséklet-tartomány nagyobb teljesítménysűrűséget tesz lehetővé, ami kisebb méretű eszköz készítésére ad módot. A gyorsabb kapcsolás a Schottky-felépítésnek és a SiC rövidebb lezárási idejének köszönhető. A nagyobb kapcsolási frekvencián való működés miatt kisebb értékű induktivitásokat és kapacitásokat lehet használni, ami javítja a tápegység térfogati hatásfokát.

A SiC MPS dióda

A SiC MPS dióda egyesíti a Schottky- és a PIN (p – szennyezetlen (intrinsic) – n rétegfelépítésű) diódák hasznos tulajdonságait. Ez a felépítés gyors kapcsolású diódát eredményez, amelynek kicsi a feszültségesése és a visszárama, és jók a magas hőmérsékleti jellemzői.

A tiszta Schottky pn-átmenetet használó dióda a lehető legkisebb nyitóirányú feszültségesést kínálja, de nagy áramoknál, például az egyes teljesítménytényező-javító áramkörökben előforduló áramlökéseknél problémák léphetnek fel. Az MPS diódák javítják az áramlökések alatti teljesítményt, mégpedig úgy, hogy a Schottky-felépítés fém sodródási zónája alatt p szennyezésű területek vannak kialakítva (1. ábra). Ez p-ohmikus kapcsolatot képez a fémmel a Schottky-dióda anódjánál, és pn-átmenetet a gyengén szennyezett SiC sodródási zónával vagy epi (epitaxiális, kristályránövesztéses) réteggel.

1. ábra: Az ábrán a SiC Schottky (balra) és SiC MPS (jobbra) dióda felépítésének összehasonlítása látható (ábra: Vishay Semiconductors)

Normál körülmények között az MPS dióda Schottky-kialakítása vezeti szinte a teljes áramot, és a dióda úgy viselkedik, mint egy Schottky-dióda, az ezzel járó kapcsolási jellemzőkkel.

Nagy áramlökés esetén az MPS dióda két pólusa közti feszültség a belső pn-dióda küszöbfeszültsége fölé nő, ezért a belső pn-dióda vezetni kezd, csökkentve a helyi ellenállást. Ez átkényszeríti az áramot a pn-átmenet területein, korlátozva a teljesítményveszteséget, és csökkentve az MPS dióda hőterhelését. A sodródási zóna vezetőképességének ez a nagy áramerősség esetén bekövetkező növekedése kis értéken tartja a nyitóirányú feszültségesést.

A SiC-eszközök áramlökések alatti teljesítménye az eszköz egypólusú jellegéből és a sodródási réteg viszonylag magas ellenállásából adódik. Az MPS felépítés ezen a teljesítményparaméteren is javít, és a p szennyezésű terület geometriai elhelyezése, mérete és szennyezésének mértéke is befolyásolja a végső jellemzőket. A nyitóirányú feszültségesés egy kompromisszum a visszáram és a kezelhető áramlökés áramerőssége között.

Záróirányú előfeszítés esetén a p szennyezésű területek a tökéletlenségük miatt lefelé és a fém potenciálgáttól elfelé kényszerítik a maximális térerősségű teljes területet a majdnem tökéletesen szennyezetlen sodródási rétegbe, csökkentve ezzel a teljes visszáramot. Ez lehetővé teszi, hogy egy MPS eszköz azonos visszáram és sodródásiréteg-vastagság mellett nagyobb átütési feszültséggel működjön.

A Vishay MPS-felépítése vékonyréteg-technológiát használ, ahol lézeres megeresztéssel vékonyítják a diódaszerkezet hátoldalát, ami a korábbi megoldásokhoz képest 0,3 V-tal csökkenti a nyitóirányú feszültségesést. Ezenkívül a diódák nyitóirányú feszültségesése szinte független a hőmérséklettől (2. ábra).

2. ábra: A tiszta Schottky-dióda (szaggatott vonalak) és az MPS dióda (folytonos vonalak) nyitóirányú feszültségeséseinek összehasonlítása azt mutatja, hogy az MPS dióda a nyitóirányú áram növekedésével egyenletesebb nyitóirányú feszültségesést kínál (ábra: Vishay Semiconductors)

Ez a grafikon a két diódafajta nyitóirányú feszültségesését mutatja a nyitóirányú áram erősségének függvényében, a hőmérsékletet mint paramétert figyelembe véve. A tiszta Schottky-diódák nyitóirányú feszültségesése a 45 A feletti áramerősségeknél exponenciálisan nő. Az MPS dióda a nyitóirányú áram növekedésével egyenletesebb nyitóirányú feszültségesést mutat. Érdemes megfigyelni, hogy az MPS dióda nagyobb nyitóirányú áramszintjei esetén a nyitóirányú feszültségesés a hőmérséklet növekedésével csökken.

Példák MPS diódákra

A Vishay fejlett SiC MPS diódái 1200 V záróirányú csúcsfeszültségre vannak méretezve, 5 A és 40 A közötti nyitóirányú áramerősséggel. Például a VS-3C05ET12T-M3 (3. ábra) egy TO-220-2 tokozású furatszerelt dióda, amelynek 5 A a névleges nyitóirányú áramerőssége, teljes névleges áramerősség mellett 1,5 V nyitóirányú feszültségeséssel. A dióda záróirányú árama 30 µA, a pn-átmenet legnagyobb névleges üzemi hőmérséklete +175 °C.

3. ábra: A VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS dióda furatszerelt tokozásban kerül forgalomba, és 5 A nyitóirányú áramra van méretezve, teljes névleges áramerősség mellett 1,5 V nyitóirányú feszültségeséssel (ábra: Vishay Semiconductors)

Ez a diódacsalád a legjobb választás nagy sebességű, kemény kapcsolással járó felhasználási területekre, és széles hőmérséklet-tartományban jó hatásfokú működést tesz lehetővé.

A SiC MPS diódák felhasználási területei

Az MPS diódákat jellemzően sokféle kapcsolóüzemű áramkörben használják, például egyenáram-átalakítókban, beleértve a napelemekhez kapcsolódó felhasználási területeken gyakran előforduló teljes hidas fáziseltolásos (FBPS, full bridge phase shift) és tekercs-tekercs-kondenzátor (LLC) felépítésű áramköröket. Egy másik gyakori felhasználási terület a teljesítménytényező-javító áramköröket használó hálózati tápegységek.

A teljesítménytényező a hasznos és a látszólagos teljesítmény aránya, és azt méri, hogy a villamos berendezések mennyire jó hatásfokkal használják fel a beérkező áramot. Az ideális teljesítménytényező az 1-es. A kisebb teljesítménytényező azt jelenti, hogy a látszólagos teljesítmény nagyobb, a hasznos teljesítmény kisebb, ami egy adott terhelés meghajtásához szükséges áramerősség növelését igényli. A kis teljesítménytényezőjű fogyasztók nagy csúcsárama a távvezetékben is okozhat felharmonikusokat. Az áramszolgáltatók általában megadják a felhasználó teljesítménytényezőjének megengedett tartományát. A hálózati tápegységek tervezhetők úgy, hogy teljesítménytényező-javítást használjanak (4. ábra).

4. ábra: Az ábrán egy jellegzetes aktív teljesítménytényező-javító fokozat kapcsolási rajza látható, amely hálózati tápegységben, feszültségnövelő áramátalakítóval van megvalósítva (ábra: Vishay Semiconductors)

A 4. ábrán a B1 egyenirányító híd a váltakozó áramú bemenőjelet egyenárammá alakítja. A Q1 MOSFET egy elektronikus kapcsoló, amelyet egy teljesítménytényező-javító IC (nem látható) nyit és zár. Amíg a MOSFET nyitva van, a tekercsen átfolyó áram lineárisan nő. Ezen a ponton a SiC-diódára a kimeneti kondenzátoron (C_OUT) lévő feszültség fordított (záróirányú) előfeszítést ad, és a SiC-dióda kis záróirányú árama miatt a visszáram miatti veszteség minimálisra csökken. Amikor a MOSFET zárva van, a tekercs lineárisan csökkenő erősségű áramot ad a C_OUT kimeneti kondenzátorra a nyitóirányban előfeszített kimeneti egyenirányító diódán keresztül.

A folyamatos vezetéses üzemmódú teljesítménytényező-javító áramkörben a tekercsáram a teljes kapcsolási ciklus alatt nem esik nullára. A több száz wattos vagy még nagyobb tápegységekben gyakoriak az ilyen áramkörök. A MOSFET kapcsolót a teljesítménytényező-javító IC impulzusszélesség-moduláltan vezérli (PWM), hogy a tápegységáramkör bemenőimpedanciája tisztán ohmosnak tűnjön (1-es értékű teljesítménytényező), és a csúcs- és hatásos áramerősség aránya, az amplitúdótényező kis értékű maradjon (5. ábra).

5. ábra: A grafikon egy folyamatos vezetéses üzemmódú teljesítménytényező-javító feszültségnövelő áramkör pillanatnyi és hatásos áramerősségét mutatja (ábra: Vishay Semiconductors)

A nem folyamatos vezetéses (DCM, discontinuous conduction mode) és a kritikus áramerősségű üzemmódokkal ellentétben, ahol a tekercsáram eléri a nullát, és a dióda előfeszítés nélküli állapotban kapcsol, a folyamatos vezetéses (CCM) áramkörben a tekercsáram soha nem esik nullára, így amikor a kapcsoló állapotot vált, nem nulla értékű tekercsáram folyik. Amikor a dióda zárt állapotba kapcsol, a zárási folyamat jelentősen hozzájárul a veszteségekhez. A SiC MPS dióda használata kiküszöböli ezeket a veszteségeket. A kapcsolási veszteségnek a SiC MPS dióda használatából adódó csökkenése mind a dióda, mind az aktív kapcsoló esetében az IC méretének és költségének csökkenésével jár.

Összegzés

A Si-hoz képest a Vishay MPS felépítésű SiC Schottky-diódái nagyobb nyitóirányú áramerősséget, kisebb nyitóirányú feszültségesést és kisebb záróirányú áram miatti veszteséget kínálnak, mindezt kisebb méretű, magasabb hőmérsékleten használható kivitelben. Ennélfogva ezek az eszközök jól használhatók kapcsolóüzemű tápegységekben.