Оглавление:
Недавно было выпущено первое поколение барьерных диодов Шоттки (SBD) на напряжение 650 В и 1200 В, которые хорошо оптимизированы по электрическому КПД и одновременно обеспечивают надежность схем. Серия продуктов SiC SBD предназначена для работы в схемах коррекции коэффициента мощности PFC в схемах преобразования энергии, таких как серверы, телекоммуникации, компьютерные источники питания, бытовая техника, ИБП, фотоэлектрические инверторы и зарядные станции для электромобилей. Продукты SiC SBD станут отличным решением для проектировщиков радиосхем, позволяющим повысить эффективность и надежность устройств.
SiC барьерные диоды Шоттки
Карбид кремния (SiC) — один из материалов с широкой запрещенной зоной, все чаще используемый в силовых полупроводниковых элементах. Поскольку этот материал может расширить пределы производительности, существующие в традиционных кремниевых подложках, большинство компаний по производству силовых полупроводников уже разработали компоненты на его основе. Кремниевый силовой диод PN обеспечивает хорошие параметры для устройств с частотами переключения ниже 40 кГц, например, в качестве демпфирующего диода в обратноходовой топологии, в решениях с жесткой коммутацией. Сегодня для достижения более высокой плотности мощности в преобразователях энергии, необходима более высокая частота, и разработчики ищут решения с лучшими характеристиками на высоких рабочих частотах. Потери переключения, вызванные обратным током, оказывают ключевое влияние на эффективность диода.
Диод Шоттки (SBD) может быть выгодным решением благодаря нейтрализованному обратному току восстановления. Но разработать кремниевый диод с барьером Шоттки (SBD) с запирающим напряжением более 200 В не может, поскольку одним из недостатков этих компонентов является высокий ток утечки. Иная ситуация с подложкой из материала SiC — она имеет отличные характеристики тока утечки в области высоких напряжений пробоя, поэтому идеально подходит для использования в SBD и позволяет напряжению превышать значение 600 В.
Структура барьерных диодов Шоттки
Как показано на нижнем рисунке 1а, традиционная структура диода с барьером Шоттки (SBD) основана на структуре полупроводникового перехода с металлическим контактом. Преимуществом здесь является отсутствие обратного тока восстановления при низком прямом напряжении. Самым большим недостатком является высокий ток утечки, то есть протекание обратного напряжения во время поляризации. Структура JBS (переходной барьер Шоттки) введена для ограничения высокого тока утечки обычного диода SBD. Как показано на рис. 1б, в этой структуре появляется дополнительный PN-переход, расширяющий область обеднения.
Таким образом, в состоянии обратного смещения максимальное электрическое поле может быть перемещено ниже области P, что снижает напряженность электрического поля между металлическим контактом и полупроводником N. В результате ток утечки может быть минимизирован по сравнению с обычным SBD. Это большое преимущество, но JBS имеют относительно меньшую устойчивость к импульсным токам и только структура MPS (Merged PN Schottky) может быть альтернативным решением для устранения проблемы более низкого сопротивления перенапряжения в структуре JBS, поэтому барьер Шоттки SiC Диоды (SBD) изготавливаются как MPS, чтобы обеспечить меньший ток утечки при сохранении высокой устойчивости к импульсным токам.
Характеристики диодов SiC SBD
Ключевыми параметрами SiC SBD являются падение напряжения в прямом направлении (V F ), емкость перехода ( C J ) и устойчивость к импульсному току (IFSM @ 10 мсек , IFSM @ 10 мкс ). Поэтому оптимизация этих параметров имеет решающее значение для разработки новых элементов SiC SBD, обеспечивающих более высокую плотность мощности и долговечность в эксплуатации.
1) Характеристики прямого падения напряжения SiC SBD
Прямое падение напряжения V F при комнатной температуре и 125°C
В зависимости от условий эксплуатации системы SiC SBD может работать при различных условиях нагрузки. При небольшой нагрузке важна производительность устройства при низком токе и низкой температуре, а при большой нагрузке устройство должно иметь хорошие характеристики при высоком токе и высокой температуре. Четкое понимание разницы в уровнях прямого падения напряжения (VF) при низких и высоких температурах важно для достижения оптимальных характеристик работы схемы. Как показано на рисунке, SiC SBD демонстрирует превосходные характеристики при токе ниже 5 А при комнатной температуре и преимущество перед конкурентами в диапазоне ниже 7 А при высокой температуре. Это повлияет на потери проводимости в схеме, рассчитанные по формуле IF x VF x коэффициент включения. SiC SBD может стать подходящим решением для достижения оптимальной производительности при любых условиях нагрузки.
Как правило, SiC SBD имеет отрицательный температурный коэффициент (NTC) при низком токе и меняется на положительный (PTC) при высоком токе, как показано на рисунке 3 (a). Оптимизация температурного коэффициента необходима для получения лучшей температурной зависимости при большой нагрузке. Значение VF SiC SBD при высокой температуре падает до менее 6 А, что полезно в условиях эксплуатации с большими нагрузками. Из-за температурной зависимости значения VF напряжение VF для SiC SBD при высокой температуре имеет самое низкое значение до 7 А.
2) Емкостные характеристики перехода SiC SBD
В структуре SBD имеется несколько переходов, каждый из которых имеет емкость, подобную конденсатору (когда говорим о емкости перехода), значение которой можно варьировать в зависимости от области обеднения, определяемой приложенным обратным напряжением, поэтому ее необходимо измерить в разных диапазонах напряжения, как показано на рисунке 4 (b). Структура SBD не имеет обратного тока восстановления, но как показано на рисунке 4(c), обратный ток во время фазы выключения все еще наблюдается. Это вызвано энергией зарядки переходного конденсатора и может привести к дополнительным потерям мощности.
Зарядные потери емкости перехода можно рассчитать по C-V характеристикам (рис. 4 (б)). Поскольку энергия зарядки исходит от емкости, она не зависит от температуры, di/dt и прямого тока.
По экспериментам, простая замена кремниевых диодов на SiC диоды Шоттки уже позволяет снизить тепловую нагрузку почти вдвое. Практически такой же результат получается при использовании схемы с мягким переключением, но при этом количество элементов повышается в разы, что увеличивает габариты, снижает надежность и, соответственно, выигрыш от повышения частоты преобразования. В итоге стоимость решения на базе SiC диода оказывается значительно ниже.
