Obvody vysokofrekvenčně spínaného zdroje jako jsou obvody pro korekci účiníku (PFC) se vyžadují diody v režimu CCM (continuous conduction mode) s nízkými spínacími ztrátami. U křemíkové diody v režimu CCM jsou tyto spínací ztráty způsobené zpětným zotavovacím proudem díky uloženému náboji v přechodu diody během vypínání. Aby se docílilo snížení těchto ztrát je nutné použít křemíkovou diodu s větším průměrným dopředným proudem, a to znamená diodu větší fyzické velikosti.
Dioda z karbidu křemíku (SiC) je lepší volbou pro obvod CCM PFC, protože její zpětný zotavovací proud je pouze kapacitní povahy. Snížená injekce minoritního nosiče v SiC diodě znamená, že spínací ztráta SiC diody je téměř nulová. Merged PIN Schottkyho dioda (MPS) navíc snižuje pokles napětí diody v propustném směru, podobně jako standardní SiC Schottkyho dioda, a tím dochází k dalšímu snížení ztrát. Tento článek stručně vysvětluje problematiku nízkoztrátového spínání v obvodech CCM PFC. Poté představí příklady MPS diod od Vishay General Semiconductor – Diodes Division a uvede, jak tyto diody využít pro minimalizaci ztrát ve spínaném zdroji.
Požadavky na nízkoztrátové spínání
Spínané napájecí AC/DC zdroje s výkonem nad 300 W obvykle používají korekci účiníku PFC, aby pomohly splnit mezinárodní normy IEC61000-4-3, které specifikují jalový výkon a úrovně harmonických. Diody používané v PFC spínaných zdrojích pracují při vysoké frekvenci a musí být schopny zvládnout jmenovitý výkon zdroje a související ztráty při spínání. Křemíkové diody mají znatelné ztráty díky zpětnému zotavení. Když se křemíková dioda přepne z vodivého do nevodivého stavu, zůstane chvíli vodivá. To má za následek významný tok proudu po dobu trvání zpětného zotavení diody, a to je ta ztráta při vypnutí křemíkové diody.
Zpětné zotavení SiC Schottkyho diody je omezeno jen na kapacitním vybíjení, ke kterému ale dochází rychleji, a tím se účinně eliminuje ztráta při vypínání. SiC diody mají ale vyšší pokles napětí v propustném směru, a to přispívá ke ztrátám ve vedení. Tento pokles však lze účinně řídit. SiC diody mají také výhodu v tom, že zvládnou vyšší teplotní rozsah a rychlejší spínání. Vyšší teplotní rozsah umožňuje větší hustotu výkonu, a díky tomu jsou tyto diody umístěny v menším pouzdru. Rychlejší spínání je umožněno Schottkyho strukturou a kratší dobou zpětného zotavení SiC. Provoz při vyšších spínacích frekvencích má za následek menší hodnoty externího induktoru a kondenzátoru, a tím lze vytvořit mnohem menší rozměry obvodu napájení.
Co je to SiC MPS dioda
Dioda SiC MPS kombinuje užitečné vlastnosti Schottkyho a PIN diod. Výsledkem konstrukce je dioda s rychlým spínáním, nízkým poklesem napětí v sepnutém stavu, nízkým svodovým proudem ve vypnutém stavu a dobrými vysokoteplotními charakteristikami. Dioda využívající čistě Schottkyho přechod nabízí nejnižší možné propustné napětí, ale při vysokých proudech je vystavena problémům, jako jsou rázové proudy v některých PFC obvodech. MPS diody zlepšují výkon rázového proudu vložením oblastí P pod kovovou driftovou zónu Schottkyho struktury (obrázek 1). To vytváří P-ohmický kontakt s kovem na anodě Schottkyho diody a PN přechod s lehce dotovaným SiC driftem nebo epi-vrstvou.
Obrázek 1: Je znázorněno srovnání struktur SiC Schottkyho (vlevo) a MPS (vpravo) diod. (Zdroj obrázku: Vishay Semiconductor)
Za normálních podmínek vede Schottkyho struktura MPS diody téměř celý proud a dioda se chová jako Schottkyho dioda s doprovodnou spínací charakteristikou. V případě vysokého přechodového rázového proudu se napětí na MPS diodě zvýší nad prahové napětí vestavěné PN diody, která začne vést a sníží lokální odpor. To odvádí proud přes oblasti přechodů PN, snižuje ztrátový výkon a snižuje tepelné namáhání v diodě MPS. Toto zvýšení vodivosti driftové zóny při vysokém proudu udržuje propustné napětí na velmi nízké hodnotě.
Výkon rázového proudu SiC diody pochází z její unipolární povahy a její relativně vysokého odporu driftové vrstvy. Struktura MPS diody také zlepšuje tento výkonnostní parametr a geometrické umístění, velikost a koncentraci vrstvy P. Pokles napětí v propustném směru je kompromisem mezi jmenovitým svodovým a rázovým proudem. Při zpětném proudu „tlačí“ dotovaná oblast P maximální intenzitu pole od kovové bariéry do téměř bezdefektové driftové vrstvy. Tím se značně snižuje celkový svodový proud. To umožňuje MPS diodám pracovat při vyšším průrazném napětí se stejným svodovým proudem a stejnou tloušťkou driftové vrstvy.
Struktura MPS diody od Vishay využívá technologii tenké vrstvy, kde se ke ztenčení zadní strany struktury diody používá laserové žíhání. To snižuje propustný pokles napětí o 0,3 V ve srovnání s dřívějšími metodami. Kromě toho jsou poklesy napětí diod v propustném směru téměř nezávislé na teplotě (obrázek 2).
Obrázek 2: Porovnání poklesu napětí v propustném směru mezi klasickými Schottkyho (přerušované čáry) a strukturou MPS diody (plné čáry). Dioda MPS udržuje konzistentnější pokles napětí v propustném směru s rostoucím propustným proudem. (Zdroj obrázku: Vishay Semiconductors)
Tento graf ukazuje propustné napětí obou typů diod jako funkci propustného proudu s teplotou jako parametrem. Poklesy napětí v propustném směru pro klasické Schottkyho diody rostou exponenciálně pro proudy nad 45 A. MPS dioda udržuje konzistentnější pokles napětí s rostoucím proudem v propustném směru. Všimněte si, že propustné napětí klesá s rostoucí teplotou pro vyšší úrovně propustného proudu v MPS diodě.
Příklady MPS diody
Pokročilé SiC MPS Vishay diody jsou dimenzovány na zpětné špičkové napětí 1200 V s dopředným proudem 5 až 40 A. Například VS-3C05ET12T-M3 (obrázek 3) je dioda v pouzdře TO-220-2 a je dimenzováno na dopředný proud 5 A, s dopředným napětím 1,5 V při jeho plném jmenovitém proudu. Zpětný svodový proud diody je 30 μA a je dimenzována na maximální provozní teplotu přechodu +175 °C.
Obrázek 3: Dioda VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS je dimenzována na propustný proud 5 A, s propustným napětím 1,5 V při jeho plném jmenovitém proudu. (Zdroj obrázku: Vishay Semiconductor)
Pro jaké aplikace je MPS SiC dioda vhodná?
MPS diody se typicky používají v široké škále spínaných napájecích obvodů jako jsou DC/DC konvertory, včetně těch, které využívají topologii plného můstkového fázového posunu (FBPS) a topologii induktor-induktor-kondenzátor (LLC), které se běžně vyskytují ve fotovoltaických obvodech. Další běžná aplikace je v AC/DC napájecích zdrojích využívajících PFC obvody (korekci účiníku). Účiník je poměr činného a zdánlivého výkonu a definuje, jak efektivně je přicházející výkon využíván v elektrických zařízeních. Ideální účiník je roven jedné. Nízká hodnota účiníku znamená, že zdánlivý výkon je větší než činný výkon, a to způsobuje zvýšení proudu zátěží. Vysoké špičkové proudy v zátěžích s nízkým účiníkem způsobují harmonické na elektrickém vedení. Dodavatelé energie obecně specifikují povolený rozsah účiníku uživatele. Napájecí zdroje AC/DC jsou obvykle navrženy s obvody s korekcí účiníku - PFC (obrázek 4).
Obrázek 4: Příklad typického aktivního PFC stupně implementovaného v AC/DC napájecím zdroji. (Zdroj obrázku: Vishay Semiconductor)
Na obrázku 4 převádí můstkový usměrňovač B1 střídavý vstup na stejnosměrný. MOSFET Q1 je elektronický spínač, který je „zapnut“ a „vypnut“ pomocí PFC integrovaného obvodu (nezobrazeno). Když je MOSFET zapnutý, proud procházející induktorem se lineárně zvyšuje. V tomto okamžiku je SiC dioda zpětně ovlivněna napětím na výstupním kondenzátoru COUT a nízký zpětný svodový proud SiC diody minimalizuje ztráty. Když je MOSFET „vypnutý“, induktor dodává lineárně klesající proud do kondenzátoru COUT přes dopředně zatíženou výstupní usměrňovací diodu.
V obvodu CCM PFC proud induktoru neklesne na nulu během celého spínacího cyklu. CCM PFC jsou běžné v napájecích zdrojích, které dodávají několik stovek nebo více wattů. Spínač MOSFET je řízen PWM modulací pomocí PFC integrovaného obvodu. Takže vstupní impedance napájecího obvodu se jeví jako čistě odporová (účiník jedna) a poměr špičkového k průměrnému proudu je zachován na nízké hodnotě (obrázek 5).
Obrázek 5: Okamžité a průměrné proudy v zesilovacím obvodu CCM PFC. (Zdroj obrázku: Vishay Semiconductor)
Na rozdíl od režimů přerušovaného (discontinuous) a kritického (critical) proudu, kde proud induktoru dosáhne nuly a dioda spíná v nedefinovaném (unbias) stavu, proud induktoru v obvodu CCM nikdy neklesne na nulu. Takže když MOSFET spínač změní stav, existuje vždy nenulová hodnota proudu induktoru. Když se dioda přepne do reverzního stavu, zpětné zotavení významně přispívá ke ztrátám. Použitím MPS SiC diody jsme schopni tyto ztráty účinně eliminovat. Snížení spínacích ztrát díky použití MPS SiC diody přináší výhodu ve zmenšení velikosti čipu a následných nákladů na diodu i aktivní spínač (tranzistor).
Závěr
Diody Vishay MPS SiC Schottky diody ve srovnání s křemíkovými nabízejí vyšší jmenovitý proud a nižší poklesy napětí v propustném směru a snížené ztráty při zpětném zotavení. To vše v menším pouzdře a s možností použití ve vyšších teplotách. Díky tomu jsou ideální volbou pro použití ve spínaných napájecích zdrojích.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
