适合各种电源应用的碳化硅肖特基二极管

2007-05-28 08:02:12来源: 电子工程专辑 关键字:谐波  电流  功率  因数

功率因数校正(PFC)市场主要受与降低谐波失真有关的全球性规定影响。欧洲的EN61000-3-2是交直流供电市场的基本规定之一,在英国、日本和中国也存在类似的标准。EN61000-3-2规定了所有功耗超过75W的离线设备的谐波标准。由于北美没有管理PFC的规定,能源节省和空间/成本的考虑成为在消费类产品、计算机和通信领域中必须使用PFC的附加驱动因素。

主动PFC有两种通用模式:使用三角形和梯形电流波形的不连续电流模式(DCM)和连续电流模式(CCM)。DCM模式一般用于输出功率在75W到300W之间的应用;CCM模式用于输出功率大于300W的应用。当输出功率超过250W时,PFC具有成本效益,因为其它方面(比如效率)得到了补偿性的提高,因此实际上不增加额外的成本。

主动PFC是服务器系统架构(SSI)一致性的要求:供电模块应该采用带主动功率因数校正的通用电源输入,从而可以减少谐波,符合EN61000-3-2和JEIDA MITI标准。这就需要高功率密度应用能够提供较宽的输入电压范围(85~265V),从而给PFC级电路使用的半导体提出了特殊的要求。

在输入85V交流电压时,必须有最低的Rdson,因为传导热损失与输入电压的3次方成反比关系。这种MOSFET管的高频工作能够显著减少升压抑制。因此晶体管的快速开关特性是必须的。升压二极管应该具有快速开关、低Vf和低Qrr特性。为了减少MOSFET在接通时的峰值电流压力,低Qrr是必须的。如果没有这一特性,升压MOSFET将增加温度和Rdson,导致更多的功率损失,从而降低效率。在高功率密度应用中效率是取得较小体积(30W/cm3英寸)和减少无源器件尺寸的关键因素。因此高的开关频率必不可少。

为了设计效率和外形尺寸最优的CCM PFC,升压二极管还必须具备以下一些特性:较短的反向恢复和正向恢复时间;最小的储存电荷Q;低的漏电流和最低的开关损耗。过压和浪涌电流能力非常重要,它们能够用来处理PFC中由启动和交流回落引起的浪涌和过电流。这些特性只有用碳化硅肖特基二极管(SiC肖特基二极管)才能实现。

由于SiC肖特基二极管中缺少正向和反向恢复电荷,因此可以用更小的升压MOSFET。这样做除了成本得到降低外,器件温度也会降低,从而使SMPS具有更高的可靠性。

由于SiC肖特基二极管的开关行为独立于正向电流(Iload)、开关速度(di/dt)和温度,因此这种二极管在设计中很容易使用。在设计中采用SiC肖特基二极管能够实现最大的开关工作频率(最高可达1MHz),从而可以使用更小体积的无源器件。

最低的开关损耗和低的Vf能使用更小的散热器或风扇。另外,由于具有正的温度系数,SiC肖特基二极管能够非常方便地并行放置。

thinQ!2G向理想的高电压二极管迈进

新一代IFX SiC肖特基二极管(thinQ!2G)融合了普通SiC肖特基二极管和双极pn结构,从而具有非常高的浪涌电流承受能力和稳定的过压特性。

图1对SiC肖特基二极管结构与合并后的pn肖特基二极管概念进行比较。p区域针对发射极效率和电导率作了优化,因此在正向电压超过4V时能用作浪涌电流的旁路通道。

图1:(a) 传统SiC肖特基二极管的截面图;(b) 具有合并p掺杂岛的thinQ!2G SiC二极管

改进的浪涌电流能力

thinQ!2G提供改进的浪涌电流功能,允许针对应用中的平均电流条件进行设计,也就是说,大多数的启动和AC回落引起的浪涌和过流能很好地获得处理。图2表明,在正常工作状态,thinQ!2G的行为与具有零反向恢复电荷的普通肖特基二极管没什么两样,在大电流状态其正向特性如同双极pn二极管一样,能够显著减少功率损耗。

图2:SiC肖特基二极管和thinQ!2G的浪涌电流比较

由于改进的浪涌电流能力使得在指定应用中采用更低标称电流的二极管进行设计成为可能。到目前为止,二极管的浪涌电流额定值仍是重要的设计考虑因素。已经具有良好浪涌电流标称值的6A二极管IFSM=21A@10ms的thinQ!被极大地增强为IFSM 49A@10ms的thinQ!2G。

对实际应用(6A IFX第一代SiC肖特基二极管、PFC、宽范围)进行的测试证实了这些改进:6A第一代SiC肖特基二极管足以用来处理启动时的浪涌电流,结温会升高到50℃。这种情况非常接近由于肖特基特性而引起的热失控,如图2所示。在通常情况下可以使用更小体积的二极管。

新的4A thinQ!2G能够更好地处理同一应用中的启动状况。温度只升高到35℃。由于是双极特性,因此到达最高结温时不会产生热量失控。设计工作于正常情况的thinQ!2G具有足够的余量来处理异常情况。

稳定的过压特性

除了改进的浪涌电流功能外,融合pn肖特基概念的thinQ!2G能够承受实际的雪崩电流击穿条件。这对目前市场上的任何其它SiC肖特基二极管来说都是不可能的。这是低电阻率和合并肖特基结构中p岛的设计造成的,它能保证在肖特基接口处的电场到达破坏性值前开始雪崩(图3)。

图3:thinQ!2G稳定的过压特性

正温度系数使thinQ!2G具有了稳定的雪崩和过压行为,并使直接与电力网连接的电信和服务网中的PFC级应用在瞬时脉冲和过压状态下具有更高的可靠性、抗扰性和鲁棒性。

在PFC级中的瞬态变化期间,过压可以被500~550V左右的大电容(对于常用的450V大电容)齐纳击穿。在这种应力条件下,thinQ!2G能够远离危险的过压行为。这种改进的过压和浪涌电流能力可以使二极管的压力减小,使应用具有更高的可靠性。

SiC肖特基二极管——适合各种供电条件的解决方案

利用具有独特性能的碳化硅作为器件材料,能制造出接近理想功能特性的升压二极管,并适合PFC应用中的各种功率级别。SiC肖特基二极管具有的无反向恢复电荷、反向特性与开关速度、温度和正向电流无关的特性均能减少PFC应用中的功率损耗。这对服务器和高端PC电源来说尤其重要,因为效率提高的要求变得越来越重要,特别是要满足80plus等法规要求时。

图4: 英飞凌的thinQ! 2G碳化硅肖特基二极管

thinQ!2G在这些重要性能的基础上增加了独特的过流和过压能力。浪涌电流能力有助于设计稳态工作时的额定电流值,由于可以采用更低额定电流值的二极管,因此具有成本优势。过压特性在电信和无线基础应用等苛刻环境中非常重要。在这些应用中,能够克服过压尖峰和异常线路状态并由此提高可靠性的健壮能力是必须的。

通过使用能够提供最低开关损耗的SiC二极管来提高效率在UPS和太阳能逆变器等系统中经常会用到,在这些系统中每次损耗的减少都能直接带来良好的回报。针对日益提高的效率目标,我们希望碳化硅二极管的应用能转移到更低的功率级别:利用thinQ!2G可以满足更多的需要更高环境温度、更高器件温度和更高可靠性的应用。

关键字:谐波  电流  功率  因数

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