Tento článek stručně pojednává o základech usměrňovače, včetně srovnání s usměrňovačů sestavených pomocí Schottkyho diod a diod s rychlým zotavením. Na příkladu diod od společnosti Nexperia si představíme klíčové vlastnosti technologie SiGe. Na konec si povíme něco o řešení problémů spojených s aplikacemi s vysokou teplotou a rychlým přepínáním.
Základy usměrňovače
Usměrňovače jsou základní obvody napájecích zdrojů, které se používají k přeměně vstupního střídavého napětí na stejnosměrné napětí. Ačkoli existuje mnoho topologií (například jednocestné a dvoucestné), klíčovými součástmi usměrňovačů jsou jedna nebo více diod.
Nejjednodušší typ diody je křemíková (Si) dioda s PN přechodem. Když je na diodu přivedeno správně polarizované napětí ( kladná svorka ke straně typu P a záporná svorka ke straně typu N ) a rozdíl potenciálu je dostatečně velké pro překonání „bariérového potenciálu“ diody (rozdíl mezi P a N u diody Si musí být asi 0,7 voltu ), teče diodou velký proud IF (Forward – přímí proud).
IF pak stoupá úměrně s přiloženým napětím VF. Křivka VF vs IF je obvykle velmi strmá, jak je znázorněno u diody BAS21H od společnosti Nexperie (obrázek 1.). Z tohoto důvodu je dioda často zapojena do série s rezistorem, který slouží jako nadproudová ochrana.
Obrázek 1: Křivka VF vs IF pro spínací diodu BAS21H. Všimněte si, jak pro tuto Si diodu typu PN začíná otevírání přibližně na 0,7 voltu. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Když je napětí obráceno (VR – zpětné napětí - reverse), protéká diodou nízký zpětný svodový proud IR. Při nízkých provozních teplotách je IR nevýznamný, ale protože je závislý na teplotě, může se při vysokých provozních teplotách stát problémem. Když je zpětné napětí VR vysoké, dioda vstoupí do lavinového režimu a diodou může protékat velký proud, který vede k trvalému poškození. Tato prahová hodnota zpětného napětí je známá jako průrazné napětí Vbr. V datových listech výrobci obvykle uvádí maximální reverzní napětí Vrmax, které musí být menší než napětí průrazné Vbr, aby byla zajištěna bezpečnostní rezerva (obrázek 2).
Obrázek 2: Klíčové parametry diody typu PN, včetně propustného napětí VF, zpětného proudu IR a průrazného napětí Vbr. (Zdroj obrázku: Wikipedia)
V momentě, kdy dojde k převrácení napětí, na diodě je stále dostatečný náboj, který způsobí značný tok proudu v opačném směru. Tato takzvaná reverzní doba zotavení (trr) je důležitým parametrem, zejména pro vysokofrekvenční aplikace. Použitím dalších příměsí, jako je zlato nebo platina se dramaticky zkrátí doba zotavení trr. Diody s rychlým zotavením využívající právě tyto vzácné materiály a mají dobu zotavení trr několik desítek nanosekund.
Rychlý spínací výkon se často dosáhne zvýšením napětí VF z 0,7 na 0,9 V. Bohužel při tomto zvýšení dochází k poklesu účinnosti. Svodový proud IR diody s rychlým zotavením zůstává stejný jako u standardních křemíkových diod.
Teplotní rovnováha
Při návrhu usměrňovače se hledá optimální řešení pro snížení ztrátového výkonu, se kterým souvisí též teplota. Napětí VF je nejvýznamnějším faktorem při určování účinnosti diody. Schottkyho diody mají nahrazenou P část polovodičového přechodu kovem. Výsledkem je pokles prahového napětí VF na 0,15 až 0,45 V (v závislosti na volbě kovu). Další výhodou Schottkyho diody je její rychlost. Čas zotavení trr se pohybuje řádově ve stovkách pikosekund. Díky těmto vlastnostem je Schottky dioda oblíbenou volbou pro usměrňovače ve vysokofrekvenčních spínaných napájecích zdrojích.
Schottkyho diody mají však značné nevýhody. Například mají relativně nízkou maximální úroveň reverzního napětí Vrmax ve srovnání s křemíkovými diodami. Zadruhé mají relativně vysokou hodnotu zpětného svodového proudu IR, který může nabývat až stovek µA ve srovnání se stovkami nA u křemíkových diod. Navíc velký problémem je exponenciální růst reverzního proudu IR s teplotou přechodu Tj (obrázek 3).
Obrázek 3: Charakteristika VR a IR pro Schottkyho diodu Nexperia 1PS7xSB70. Proud IR je obvykle mnohem vyšší, než pro ekvivalentní Si diodu a exponenciálně roste s teplotou. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Tepelná stabilita diody je dána jemnou rovnováhou vlastního ohřevu generovaného proudem IR a schopností diody odvádět teplo (obrázek 4). Pokud je dioda v tepelné rovnováze, lze Tj (s pevnou teplotou okolí (Tamb ) jako tepelnou „zemí“) popsat jako:
Kde:
R th (j-a) = Tepelný odpor mezi přechodem a okolním prostředím
P disipated = Výkon, který se rozptýlí v součástce
Obrázek 4: Tepelné odpory v diodě za normálního provozu. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Pokud generovaná tepelná ztráta (samovolný ohřev) je menší než možný rozptýlený výkon, bude Tj směrovat do stabilního stavu (obrázek 5). Pokud je však generováno více samočinného ohřevu, než je možné rozptýlit, Tj se zvyšuje, dokud se součástka nakonec nestane tepelně nestabilní. Situace se rychle změní na tepelný průraz (trvalé poškození), protože proud IR se exponenciálně zvyšuje s teplotou, a to spustí smyčku pozitivní zpětné vazby.
Obrázek 5: Stabilní provozní stav je dán tepelnou rovnováhou. Rovnováhou mezi schopností tepelného systému odvádět teplo tepelným odporem (modrá čára (1)) a samočinným ohřevem způsobený svodovým proudem (IR ) (červená čára (2)). Exponenciální růst proudu může vést až k tepelnému poškození. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Pokud je Schottkyho dioda vystavena vysokým okolním teplotám (nad 145°C) nastává riziko tepelného průrazu. Z tohoto důvodu by se Schottkyho diody neměly používat ve spínaných LED ovladačích nebo v automobilové elektronické řídicí jednotce, kde se jsou extrémní teploty. Proto vývojáři v těchto případech obvykle volí diody s rychlým zotavením, která se vyznačují nízkým reverzním proudem IR, a proto jsou méně náchylné k tepelnému průrazu. Bohužel nemají tak velkou účinnost.
Diody SiGe
Portfolio diod s rychlým zotavením pro aplikace s vysokou teplotou, a nebo vysokým napětím Vrmax byl rozšířen o technologii SiGe. Tato technologie kombinuje výhody Schottky diody a diody s rychlým zotavením v jedné součástce. Struktura diody SiGe se podobá Schottkyho diodě, ale místo kovu je právě použita slitina křemíku a germania (obrázek 6).
Obrázek 6: Dioda SiGe nahrazuje Schottkyho kovovou bariéru slitinou SiGe. Výsledkem je menší bandgap, větší mobilita elektronů a vyšší hustota nosiče vnitřního náboje (děr nebo elektronů). (Zdroj obrázku: Nexperia)
Klíčové výhody polovodiče SiGe jsou menší bandgap (bandgap je energetický rozdíl v voltelektronech (eV) mezi valenčním pásmem polovodiče a vodivým pásmem), schopnost přepínat na vyšších frekvencích, větší mobilita elektronů a vyšší hustota náboje než křemík. Nižší napětí VF snižuje ztráty vedení diodou přibližně o 20 procent ve srovnání s diodou s rychlým zotavením. Kromě toho má dioda SiGe nižší zpětný proud IR než Schottkyho dioda (obrázek 7).
Obrázek 7: Diody SiGe mají nižší zpětný proud IR než Schottkyho diody a nižší napětí VF než diody s rychlým zotavením. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Díky vysoké vnitřní hustotě náboje a mobilitě elektronů a děr je doba zotavení trr velmi krátká. Proto jsou diody SiGe vhodné pro aplikace s rychlým přepínáním. Toto rychlé přepínání umožňuje také relativně nízká parazitní kapacita a indukčnost. Navíc dioda SiGe má nižší náboj zpětného zotavení (QRR ) a nižší proud zpětného zotavení (IRR) než Schottky dioda. To má za následek nižší spínací ztrátu. Kombinace nízkého proudu IR a nízkých spínacích ztrát téměř eliminuje problémy s tepelným průrazem.
Výběr a použití diod SiGe
Zatímco tranzistory SiGe jsou na trhu již několik let, diody SiGe přišli na trh později. Například diody SiGe PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX a PMEG120G30ELPJ od společnosti Nexperia jsou součástí rodiny, která je dodávána v tepelně účinných pouzdrech Clip Bond FlatPower (CFP3) a CFP5 (obrázek 8). Toto pouzdro se stalo průmyslovým standardem pro výkonové diody.
Obrázek 8: Dioda SiGe PMEG120G10ELRX v pouzdru CFP5, které šetří místo a zvyšuje odvod tepla. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Pevná měděná spona pouzdra zmenšuje tepelný odpor a zvyšuje přenos tepla do okolí. CFP3 snižuje požadavky na prostor o 38 procent a CFP5 ušetří dokonce až 56 procent ve srovnání s pouzdry SMA nebo SMB. Společnost Nexperia používá stejné pouzdro také pro Schottkyho diody a diody s rychlým zotavením.
Diody SiGe nabízejí maximální reverzní napětí Vrmax až 120 voltů. To výrazně překračuje limit 100 V, který je stanoven u většiny Schottkyho diod. Kromě toho byly diody testovány až do 200 °C bez jakéhokoli tepelného poškození nebo snížení výkonu (obrázek 9). Mezní provozní teplota (bezpečná provozní oblast (SOA)) 175 ° C je dána právě použitým pouzdrem. Obrázek 10 ukazuje rozšířenou bezpečnou provozní oblast ve srovnání s Schottky diodami .
Obrázek 9: Diody SiGe Nexperia netrpí tepelnými problémy při vysokých teplotách jako Schottkyho diody. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Obrázek 10: Odolnost proti tepelnému průrazu rozšiřuje bezpečnou pracovní oblast ve srovnání s Schottkyho diodami. (Zdroj obrázku: Nexperia)
Diody Nexperia SiGe nabízí přímí proud IF s hodnotami 1, 2 a 3 A s nízkým zpětným proudem IR 0,2 nA (VR = 120 V (pulse), Tj = 25 ° C), stoupající na 10 uA při zvýšené teplotě (VR = 120 voltů (pulse), Tj = 150 ° C). Stejně jako Schottkyho diody jsou diody SiGe dobrou volbou pro rychlé spínání, jelikož doba zotavení trr je přibližně 6 ns. Výrobky jsou navíc v certifikovány podle AEC-Q101.
Závěr
Schottkyho diody jsou osvědčenou volbou pro efektivní vysokofrekvenční měniče AC / DC, ale jejich relativně vysoký reverzní proud IR může vést k poškození při vysokoteplotních aplikacích. Vývojáři se museli uchýlit k diodám s rychlým zotavením, které jsou teplotně stabilní, ale mají nízkou účinnost. Osvědčená technologie SiGe z tranzistorů se stala komerčně dostupnou i v diodách. Tato nová technologie kombinuje účinnost a rychlé spínací vlastnosti Schottkyho diody s tepelnou stabilitou diod s rychlým zotavením. Poskytují dobré řešení pro vysokoteplotní prostředí, jako je LED osvětlení, automobilové řídící systémy, napájecí zdroje serverů a komunikační infrastrukturu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Steven Keeping.
