השתמשו בדיודות MPS SiC כדי למזער את ההפסדים בספקי-כוח ממותגים עם תדר גבוה

מעגלים ממותגים בתדר גבוה, כגון אלו עבור תיקון גורם הספק (PFC) באמצעות אופן הולכה רציפה (CCM), דורשים דיודות בעלות הפסדי מיתוג נמוכים. עבור דיודות סיליקון (Si) קונבנציונליות באופן CCM, הפסדי מיתוג אלו נובעים מזרם ההתאוששות האחורנית של הדיודה עקב המטען המאוחסן בצומת הדיודה במהלך כיבוי. מזעור ההפסדים אלו דורש בדרך כלל דיודת Si עם זרם קדומני ממוצע גדול יותר, המוביל לגודל פיזי גדול יותר ולעלות גבוהה יותר.

דיודת סיליקון קרביד (SiC) היא בחירה טובה יותר במעגלי CCM PFC מכיוון שזרם ההתאוששות האחורנית שלה הוא רק קיבולי באופיו. הזרקת נשאי מיעוט מופחתים בהתקן SiC פירושה שהפסדי המיתוג של דיודת SiC קרובים לאפס. בנוסף, דיודות SiC‏ Schottky‏ PIN‏ Merged‏ (MPS‏) מורידות את מפל המתח הקדומני של ההתקן, בדומה לדיודת SiC Schottky‏ קונבנציונלית. זה ממזער עוד יותר את הפסדי ההולכה.

מאמר זה דן בקצרה באתגר של מיתוג עם הפסדים נמוכים במעגלי CCM PFC. לאחר מכן הוא מציג התקן MPS לדוגמה של Vishay General Semiconductor - Diodes Division‏ ומראה כיצד ניתן ליישם אותו כדי למזער הפסדים.

דרישות מיתוג עם הפסדים נמוכים

ספקי-כוח ממותגים AC/DC‏ עם דירוגי הספק של מעל 300 וואט משתמשים בדרך כלל ב-PFC‏ כדי לעמוד בתקנים בינלאומיים כגון IEC61000-4-3‏, המגדירים את רמות ההספק הראקטיבי והרמוניות הקו. הדיודות המשמשות בספקי-כוח PFC, במיוחד בספקי-כוח ממותגים הפועלים בתדר גבוה, חייבות להיות מסוגלות להתמודד עם ההספק הנקוב של ספק-הכוח וההפסדים הנלווים הקשורים לפעולות ההולכה והמיתוג של המעגל. להתקני Si יש הפסדי התאוששות אחורנית ניכרים. כאשר דיודת Si עוברת ממצב מוליך למצב לא-מוליך, היא נשארת מוליכה בזמן שהנשאים הטעונים מוסרים מהצומת. זה גורם לזרימת זרם משמעותית למשך זמן ההתאוששות האחורנית של הדיודה, והופכים להפסדי הכיבוי של דיודת Si.

ההתאוששות האחורנית של דיודות SiC Schottky מוגבלת לפריקה קיבולית, המתרחשת מהר יותר, ולמעשה מבטלת את הפסדי הכיבוי. לדיודות SiC יש מפל מתח קדומני גבוה יותר היכול לתרום להפסדי הולכה, אך ניתן לשלוט במפל מתח זה. לדיודות SiC יש גם יתרון ביכולת להתמודד עם תחום טמפרטורות גבוה יותר ומיתוג מהיר יותר. תחום הטמפרטורות הגבוה יותר מאפשר צפיפות הספק גדולה יותר, המאפשר מארזים קטנים יותר. המיתוג המהיר יותר נובע ממבנה Schottky וזמן ההתאוששות האחורנית הקצר יותר של ה-SiC. הפעולה בתדרי מיתוג גבוהים יותר מביאה לערכי משרן וקבלים קטנים יותר כדי לשפר את הנצילות הנפחית של הספקת הכוח.

דיודת SiC MPS

דיודת SiC MPS משלבת את התכונות השימושיות של דיודות שוטקי (Schottky‏) ו-PIN. תוצאת המבנה היא דיודה עם מיתוג מהיר, מפל מתח נמוך במצב-מופעל, זליגה נמוכה במצב-כבוי ומאפיינים טובים בטמפרטורות גבוהות.

דיודה המשתמשת בצומת Schottky טהור מציעה את המתח הקדומני הנמוך ביותר האפשרי, אך נתונה לבעיות בזרמים גבוהים, כגון זרמי נחשול בחלק מיישומי PFC. דיודות MPS משפרות את ביצועי זרם הנחשול על ידי השתלת אזורים עם אילוח (Doping‏)-P מתחת לאזור המתכת של מבנה ה-Schottky (איור 1). זה יוצר מגע אוהמי-P‏ עם המתכת באנודת דיודת Schottky וצומת P-N עם שכבת ה-SiC עם האילוח הקל או שכבת-epi‏.

איור 1: מוצגת השוואה בין המבנים של דיודות SiC Schottky (משמאל) ו-MPS (ימין). (מקור התמונה: Vishay Semiconductor)

בתנאים רגילים, מבנה ה-Schottky‏ של דיודת ה-MPS מוליך כמעט את כל הזרם, והדיודה מתנהגת כמו דיודת Schottky‏, עם מאפייני המיתוג הנלווים.

במקרה של זרם נחשול טרנזיינטי גבוה, המתח על פני דיודת ה-MPS עולה מעבר למתח הסף של דיודת ה-P-N המובנית, המתחילה להוליך, ומפחיתה את ההתנגדות המקומית. זה מסיט זרם דרך אזורי צומת P-N, מגביל את פיזור ההספק ומפחית את הלחץ התרמי בדיודת ה-MPS. עלייה זו במוליכות של אזור הסחיפה בזרם גבוה שומרת על המתח הקדומני בערך נמוך.

ביצועי זרם הנחשול של התקני SiC נובעים מהטבע האוניפולרי של ההתקן והתנגדות שכבת הסחיפה הגבוהה יחסית שלו. מבנה ה-MPS גם משפר את פרמטר הביצועים הזה, והמיקום הגיאומטרי של האזור עם אילוח (Doping‏)-P, גודלו וריכוז האילוח משפיעים על המאפיינים הסופיים. מפל המתח הקדומני הוא פשרה בין דירוגי זרמי הזליגה והנחשול.

תחת ממתח אחורני, האזורים עם אילוח-P מאלצים את השטח הכולל של עוצמת השדה המקסימלי כלפי מטה, הרחק ממחסום המתכת עם אי-השלמויות שלו ולתוך שכבת הסחיפה שהיא כמעט ללא פגמים, ובכך מפחיתים את זרם הזליגה הכולל. זה מאפשר להתקן MPS לפעול במתח פריצה גבוה יותר עם אותו זרם זליגה ועובי שכבת הסחיפה.

מבנה ה-MPS של Vishay משתמש בטכנולוגיית פילם דק, כאשר טיפול חום (Annealing‏) עם לייזר משמש כדי לדלל את הצד האחורי של מבנה הדיודה, ולהפחית את מפל המתח הקדומני ב-0.3 וולט בהשוואה לפתרונות קודמים. בנוסף, מפל המתח הקדומני של הדיודות הוא כמעט בלתי-תלוי בטמפרטורה (איור 2).

איור 2: השוואה של מפל המתח הקדומני בין דיודת Schottky טהורה (קווים מקווקוים) ומבנה דיודת MPS (קווים מלאים) מראה שדיודת ה-MPS שומרת על מפל מתח קדומני עקבי יותר עם הגדלת הזרם הקדומני. (מקור תמונה: Vishay)

עקומות אלו זו מציגות את המתח הקדומני של שני סוגי הדיודות כפונקציה של הזרם הקדומני עם הטמפרטורה כפרמטר. מפלי המתח הקדומני עבור דיודות Schottky‏ טהורות גדלים אקספוננציאלית עבור זרמים מעל 45 אמפר (A‏). דיודת ה-MPS שומרת על מפל מתח קדומני עקבי יותר עם הגדלת הזרם הקדומני. שימו לב שהמתח הקדומני יורד עם עליית הטמפרטורה עבור רמות זרם קדומני גבוהות יותר בדיודת MPS.

דוגמאות של דיודות MPS

דיודות SiC MPS המתקדמות של Vishay מדורגות עבור 1,200 וולט שיא אחורני עם דירוג זרם קדומני של A‏ 5‏ עד A‏ 40‏. לדוגמה, ה-VS-3C05ET12T-M3‏ (איור 3) היא דיודה בהרכבת חור-עובר במארז TO-220-2 ומדורגת לזרם קדומני של A‏ 5‏, עם מתח קדומני של 1.5 וולט בזרם הנקוב המלא. זרם הזליגה האחרונית של הדיודה הוא 30 מיקרו-אמפר, והיא מדורגת עבור טמפרטורת פעולת צומת מקסימלית של C‏ִ°‏175‏+.

איור 3: דיודת ה-VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS מגיעה במארז חור-עובר ומדורגת לזרם קדומני של A‏ 5‏, עם מתח קדומני של 1.5 וולט בזרם הנקוב המלא שלו. (מקור התמונה: Vishay Semiconductor)

משפחת דיודות זו היא הבחירה הטובה ביותר עבור יישומי מיתוג-קשיח במהירות גבוהה ומספקת פעולה יעילה בתחום טמפרטורות רחב.

יישומי דיודות MPS SiC

דיודות MPS מיושמות בדרך כלל במגוון רחב של מעגלי הספקת-כוח ממותגים כגון ממירי DC/DC, כולל אלו המשתמשים בטופולוגיות של הסטת פאזה גשר מלא (FBPS‏) ומשרן-משרן-קבל (LLC‏) הנפוצות ביישומים פוטו-וולטאיים. יישום נפוץ נוסף הוא בספקי-כוח AC/DC המשתמשים במעגלי PFC‏.

גורם ההספק הוא היחס בין ההספק הפעיל לבין ההספק לכאורה והוא מודד את מידת היעילות של השימוש בהספק הנכנס בציוד חשמלי. גורם הספק של אחד (1) הוא אידיאלי. גורם הספק נמוך יותר משמעותו שההספק הנראה גדול מההספק הפעיל, מה שגורם לעלייה בזרם הנדרש לדחיפת עומס מסוים. זרמי שיא גבוהים בעומסים עם גורמי הספק נמוכים יכולים גם לגרום להרמוניות על קו הספקת-הכוח. ספקי-כוח מציינים בדרך כלל את התחום המותר של גורם ההספק של המשתמש. ניתן לתכנן ספקי-כוח AC/DC‏ עם PFC‏ כלול (איור 4‏).

איור 4: מוצגת דוגמה של דרגת PFC אקטיבי טיפוסי הממומש בספק-כוח AC/DC עם ממיר Boost‏. (מקור התמונה: Vishay Semiconductor)

באיור 4, מיישר הגשר B1 ממיר את כניסת ה-AC ל-DC. MOSFET Q1 הוא מתג אלקטרוני הממותג "מופעל" ו"כבוי" על ידי PFC IC (לא מוצג). בזמן שה-MOSFET הוא במצב "מופעל", הזרם דרך המשרן גדל באופן ליניארי. בשלב זה, דיודת SiC עם ממתח אחורני על ידי המתח על קבל היציאה (_OUT‏C‏), והזליגה האחורנית הנמוכה של דיודת SiC ממזערים את הפסדי הזליגה. כאשר ה-MOSFET הוא במצב "כבוי", המשרן מספק זרם הולך ויורד ליניארית ל-_OUT‏C‏ דרך דיודת מיישר היציאה עם ממתח קדומני.

במעגל CCM PFC, זרם המשרן אינו יורד לאפס במהלך כל מחזור המיתוג. CCM PFCs הם נפוצים בספקי-כוח המספקים כמה מאות וואט או יותר. מתג ה-MOSFET מאופנן רוחב פולס (PWM) על ידי ה-PFC IC כך שאימפדנס הכניסה של מעגל הספקת-הכוח מציג התנגדות טהורה (גורם הספק של אחד), והיחס בין השיא לזרם הממוצע, ה-Crest Factor‏, נשמר נמוך (איור 5).

איור 5‏: מוצגים זרמים רגעיים וממוצעים במעגל Boost‏ CCM PFC‏. (מקור התמונה: Vishay Semiconductor)

שלא כמו אופני הזרם הלא-רציף והקריטיים כאשר זרם המשרן מגיע לאפס והדיודה עוברת למצב ללא-ממתח, זרם המשרן במעגל CCM לעולם לא יורד לאפס, כך שכאשר המתג משנה מצב, זרם המשרן אינו אפס. כאשר מתגי הדיודה עוברים למצב אחורני, ההתאוששות האחורנית תורמת משמעותית להפסדים. השימוש בדיודה MPS SiC מונע את ההפסדים הללו. הירידה בהפסדי המיתוג עקב שימוש בדיודת MPS SiC מביאה את היתרון של הפחתת גודל השבב והעלות הן עבור הדיודה והן עבור המתג הפעיל.

סיכום

בהשוואה ל-Si, דיודות MPS SiC Schottky של Vishay מציעות דירוג זרם קדומני גבוה יותר, מפלי מתח נמוכים יותר והפסדי התאוששות אחורנית מופחתים, והכל במארז קטן יותר עם דירוגי טמפרטורה גבוהים יותר. ככאלה, הם מתאימים היטב עבור שימוש בתכני ספקי-כוח ממותגים.