השימוש במיישרי SiGe עבור פעולת AC/DC‏ עם נצילות גבוהה ביישומי טמפרטורות גבוהות

עד לאחרונה עמדו בפני המהנדסים שתי אפשרויות קונבנציונליות עבור מיישרים מבוססי-דיודות עבור ספקי הכוח AC/DC‏ עם מיתוג מהיר: מיישרי שוטקי (Schottky) או מיישרים עם התאוששות מהירה. מיישרי שוטקי מציעים מיתוג עם הפסדים נמוכים ונצילות טובה אך נתונים לבריחה תרמית בתכנים הפועלים בטמפרטורות גבוהות כגון פנסי LED בכלי-רכב או ביחידות בקרת אלקטרוניקה (ECU). דיודות עם התאוששות מהירה הן יציבות יותר בטמפרטורות גבוהות יותר אך נצילות פחות.

מיישרי סיליקון גרמניום (SiGe) מעניקים אפשרות שלישית חדשה ומבטלים רבות מהפשרות של הסוגים האחרים הודות לשילוב התכונות הטובות ביותר של מיישרי שוטקי עם התקני התאוששות מהירה. במיוחד, למיישרי SiGe יש יציבות תרמית גבוהה, ההופכת אותם לאפשרות טובה עבור יישומי טמפרטורות גבוהות.

מאמר זה ידון בקצרה ביסודות המיישר ובאתגרים הנלווים, כולל השוואה בין מיישרי שוטקי קונבנציונליים לבין מיישרים עם התאוששות מהירה. לאחר מכן הוא יראה כיצד ארכיטקטורת מיישר SiGe משלבת את היתרונות של שניהם. באמצעות התקנים לדוגמה מבית Nexperia, המאמר יתווה מאפייני מיישרי SiGe עיקריים וכיצד ניתן ליישם התקני SiGe כדי לפתור את הבעיות הנלוות ליישומי AC/DC‏ עם מיתוג מהיר בטמפרטורה גבוהה.

יסודות המיישרים

מיישרים הם מעגלים חיוניים עבור ספקי כוח המשמשים להמרת מתח כניסה AC להספקת מתח DC אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בה להפעלת רכיבים אלקטרוניים. למרות שקיימות טופולוגיות רבות (למשל מיישרי חצי-גל וגל-שלם), רכיבי המפתח של מיישרים הם דיודה אחת או יותר.

הצורה הפשוטה ביותר של דיודה היא צומת סיליקון (Si‏) N‏-P עם אילוח (Doping‏). כאשר הדיודה נתונה תחת ממתח קדומני (ההדק החיובי של מקור הכוח מחובר לצד סוג-P‏ של הרכיב וההדק השלילי מחובר לצד סוג-N‏) עם מתח גבוה דיו כדי להתגבר על "פוטנציאל המחסום" האינהרנטי של הדיודה או מפל המתח הקדומני (שהוא סביב 0.7 וולט עבור דיודת Si), יזרום זרם קדומני (_F‏I) גדול. זרם _F‏I‏ יעלה אז ביחס ישר למתח הגדל (_F‏I‏) מספק הכוח. מעל פוטנציאל המחסום, שיפוע עקומת _F‏V‏ לעומת _F‏I‏ נקבע במידה רבה על ידי התנגדות הדיודה והוא תלול מאוד טיפוסית, כפי שמוצג עבור ה- BAS21H‏ מבית Nexperia (איור 1). מסיבה זו הדיודה מחוברת לעיתים קרובות בטור עם נגד להגנה מפני זרם-יתר של ההתקן.

איור 1‏: גרף של _F‏V‏ לעומת _F‏I‏ עבור דיודת המיתוג BAS21H מבית Nexperia. שימו לב כיצד ההולכה מתחילה בכ- 0.7 וולט עבור דיודת Si מסוג P/N‏ זו. (מקור התמונה: Nexperia)

כאשר המתח מתהפך (_R‏V‏), מתרחש זרם זליגה אחורני נמוך בהתאמה (_R‏I‏). בטמפרטורות פעולת נמוכות, ה- _R‏I‏ אינו משמעותי, אך מכיוון שהוא תלוי בטמפרטורה, הוא עלול להוות בעיה בטמפרטורות פעולה גבוהות. כאשר _R‏V‏ הוא גדול, הדיודה נכנסת לאופן מפולת, וזרם גדול זורם, שלעתים מספיק כדי להזיק לרכיב באופן פרמננטי. סף מתח הפוך זה מוכר כמתח הפריצה (_br‏V‏). בגיליונות הנתונים שלהם, היצרנים מייעצים לרוב מתח שיא אחורני בפעולה (_rmax‏V‏) שהוא פחות מ- _br‏V‏ כדי לאפשר מרווח בטיחות (איור 2).

איור 2‏: הפרמטרים העיקריים עבור עקומת V-I של דיודה מסוג P/N‏, כולל המתח הקדומני _F‏V‏), הזרם האחורני (_R‏I‏) ומתח הפריצה (_br‏V‏). (מקור התמונה: Wikipedia)

ביישומי מיתוג, ברגע שהממתח האחורני מתהפך, עדיין יש די מטען על הדיודה כדי לאפשר זרימת זרם משמעותית בכיוון ההפוך. זמן התאוששות-אחורנית (_rr‏t‏) זה הוא פרמטר תכן חשוב, במיוחד עבור יישומי תדר-גבוה. השימוש במאלחים (Dopant‏) נוספים כמו זהב או פלטינה במוליכים-למחצה מסוג P ו- N‏ היוצרים את צומת הדיודה מקצר דרמטית את ה- _rr‏t‏. לדיודות עם התאוששות מהירה המשתמשות בחומרים אלה יש _rr‏t‏ של עשרות ננו-שניות (ns) בודדות. הפשרה עבור ביצועי מיתוג מהיר זה הוא _F‏V‏ מוגדל; היכול לרוב לעלות מ- 0.7 עד 0.9 וולט עם ירידה בהתאם בנצילות. עם זאת, ה- _R‏I‏ של דיודת התאוששות מהירה נותרת דומה לדיודת Si קונבנציונלית מסוג N‏/P‏.

ביישום מעשי, תכונות הדיודה מאפשרות לזרם גדול לזרום בכיוון אחד בלבד ולחסום את החצי השלילי של גל ה- AC הסינוסואידאלי, ובכך מתבצע למעשה יישור של מקור המתח ל- DC.

אתגרי התכנון התרמי

ביישומי המרת AC/DC, המהנדסים מחפשים לרוב אחר הרכיבים עם הנצילות הגבוהה ביותר כדי להפחית את פיזור ההספק ולהגביל בעיות תרמיות.

ה- _F‏V‏ הוא הגורם המשמעותי ביותר בקביעת הנצילות של דיודה. דיודות שוטקי מייצגות שיפור לעומת דיודות סטנדרטיות באמצעות החלפת צומת Si מסוג P‏ ו- N‏ עם חלופת צומת Si מסוג מתכת-N‏. כתוצאה מכך מפל המתח הקדומני מופחת ל- 0.15 עד 0.45 וולט (בהתאם לבחירת מתכת המחסום). יתרון נוסף של דיודת שוטקי הוא _rr‏t‏ מהיר ביותר (בסדר גודל של 100 פיקו-שניות (ps)). תכונות אלו הופכות את דיודת שוטקי לבחירה הנפוצה ביישומים כמו ספקי-כוח ממותגים בתדר גבוה.

אך ישנם חסרונות משמעותיים במיישר שוטקי. ראשית, הוא כולל _rmax‏V‏ נמוך יחסית בהשוואה לדיודות Si מסוג N‏/P‏. שנית, ואולי אף קריטי יותר, למיישרי שוטקי יש _R‏I‏ גבוה יחסית, היכול להגיע למאות מיקרו-אמפר (µA) בהשוואה למאות ננו-אמפר (nA) עבור דיודות Si מסוג N‏/P‏ ביישומים דומים. גרוע מכך, ה- _R‏I‏ עולה אקספוננציאלית עם טמפרטורת הצומת (_j‏T‏) (איור 3).

איור 3‏: גרף _R‏V‏ לעומת _R‏I‏ של דיודת שוטקי למטרות כלליות 1PS7xSB70‏ מבית Nexperia. ה- _R‏I‏ הוא טיפוסית גבוה בהרבה עבור דיודת Si מסוג N‏/P‏ אקוויוולנטית ועולה אקספוננציאלית עם הטמפרטורה. (מקור התמונה: Nexperia)

היציבות התרמית של מיישר מבוסס-דיודה נקבעת על ידי האיזון העדין של ההתחממות-העצמית שנוצרת על ידי _R‏I‏ ויכולתו של המיישר לפזר חום דרך ההתנגדות התרמית של המערכת (איור 4). אם המיישר נמצא בשיווי-משקל תרמי, ניתן לתאר את _j‏T‏ (עם טמפרטורת סביבה קבועה (_amb‏T‏) כ"ההארקה" התרמית) כ:

כאשר:

_(th(j-a‏R‏ = ההתנגדות התרמית בין צומת הדיודה לבין הסביבה

_{dissipated‏}P‏ = ההספק המתפזר בהתקן

איור 4‏: ההתנגדויות התרמיות של דיודה פועלת. (מקור התמונה: Nexperia)

בזמן הפעולה, ובתנאי שההספק שנוצר עקב התחממות-עצמית הוא פחות מההספק המפוזר, ה- _j‏T‏ של ההתקן יתכנס למצב יציב (איור 5). עם זאת, אם נוצרת יותר התחממות-עצמית ממה שניתן לפזר, _j‏T‏ עולה עד שההתקן הופך בסופו של דבר ללא-יציב תרמית. המצב הופך במהירות לבריחה תרמית מכיוון ש- _R‏I‏ עולה אקספוננציאלית עם הטמפרטורה, תהליך המתניע למעשה חוג משוב חיובי.

איור 5‏: מצב הפעולה היציב של דיודה לדוגמה נקבע על ידי האיזון של: היכולת של המערכת התרמית לפזר חום דרך ההתנגדות התרמית (קו כחול (1)), וההתחממות-העצמית של המיישר הנגרמת על ידי זרם הזליגה האחורני (_R‏I‏) שלו עצמו (והפסדי המיתוג) (קו אדום (2)). שימו לב כיצד ההתחממות-העצמית עולה אקספוננציאלית ככל שטמפרטורת המערכת עולה, וכתוצאה מכך נגרמת בריחה תרמית. (מקור התמונה: Nexperia)

המתכננים עומדים בפני סכנת בריחה תרמית אם דיודת שוטקי שבשימוש נתונה לטמפרטורות סביבה גבוהות אלא אם כן פעולתה מופחתת משמעותית בטמפרטורות של מעל 145°C+‏. מסיבה זו המהנדסים נוטים להירתע מדיודת שוטקי ביישומים כמו דוחפי LED עם מיתוג מהיר או יחידות בקרה אלקטרוניות לכלי-רכב מתחת-למכסה-המנוע. עד כה זה הותיר את המהנדסים רק עם דיודת ההתאוששות המהירה - שלה _R‏I‏ נמוך ולכן נוטה פחות לבריחה תרמית - עם פשרת הנצילות הנמוכה יותר שלה שבעקבותיה.

חלופת מיישר SiGe

הבחירה המצומצמת של דיודות התאוששות מהירה עבור תכני טמפרטורה גבוהה ו/או _rmax‏V‏ גבוה הורחבה הודות להופעתה של טכנולוגיית דיודת SiGe המשלבת את היתרונות של דיודות שוטקי עם דיודות התאוששות מהירה בהתקן יחיד. מיישרים אלה מחליפים את צומת Si מסוג N‏/מתכת של השוטקי עם כזה המבוסס על צומת Si‏ מסוג N‏/SiGe‏ (איור 6‏).

איור 6‏: מיישר SiGe המחליף את מחסום המתכת של השוטקי עם SiGe. התוצאה היא פער-אנרגיה (Bandgap) קטן יותר, ניידות אלקטרונים גדולה יותר וצפיפות נושא המטען האינטרינזי גבוהה יותר. (מקור התמונה: Nexperia)

SiGe, כפי שהשם מרמז, היא סגסוגת של סיליקון וגרמניום; היתרונות העיקריים של מוליך-למחצה הם פער-אנרגיה (Bandgap) קטן יותר (כאשר פער-האנרגיה (Bandgap) הוא הפרש האנרגיה באלקטרון וולט (eV) בין פס הערכיות (Valence‏) של המוליך-למחצה לבין פס ההולכה), יכולת מיתוג בתדרים גבוהים יותר, ניידות אלקטרונית גדולה יותר וצפיפות נושא המטען האינטרינזי גבוהה יותר לעומת סיליקון. פער-האנרגיה הנמוך יותר של ה- SiGe מוריד את ה- _F‏V‏ של צומת SiGe מסוג N‏/Si‏ לבערך 0.75 וולט, בערך 150 מילי-וולט (mV‏) נמוך יותר לעומת דיודת התאוששות מהירה.

בפועל, ה- _F‏V‏ הנמוך יותר מפחית את הפסדי ההולכה של הדיודה בכ- 20 אחוז בהשוואה לדיודת התאוששות מהירה. בעוד שנצילות הרכיבים תלויה במספר גורמים, כולל יחס המחזור של היישום, המהנדס עשוי לצפות בסבירות טובה לשיפור של 5 עד 10 אחוז ביישומים דומים. בנוסף, בדיודת SiGe ה- _R‏I‏ נמוך יותר לעומת דיודת שוטקי (איור 7).

איור 7‏: במיישרי SiGe ה- _R‏I‏ נמוך יותר לעומת התקני שוטקי (לטובת פעולה בטמפרטורה גבוהה יותר) ו- _F‏V‏ נמוך יותר לעומת מיישרי התאוששות מהירה (לטובת נצילות גבוהה יותר). (מקור התמונה: Nexperia)

הודות לצפיפות המטען האינטרינזי הגבוהה של דיודת SiGe וניידות האלקטרונים/חורים, ה- _rr‏t‏ נמוך, כך שהיא מסוגלת למתג במהירות. מיתוג מהיר זה מאופשר גם על ידי קיבוליות והשראות פרזיטיות נמוכות יחסית. יתר על כן, מכיוון שלדיודת SiGe יש מטען התאוששות-אחורנית (_RR‏Q‏) נמוך יותר וזרם התאוששות-אחורנית (_RR‏I‏) נמוך יותר לעומת מיישר שוטקי דומה, הפסדי המיתוג שלו נמוכים יותר. זה קריטי מכיוון שביישומים בתדר גבוה הפסדי מיתוג אלה תורמים משמעותית לסך כל ההפסדים. השילוב של _RI‏ נמוך והפסדי מיתוג נמוכים מבטל כמעט לגמרי את אתגרי בריחה תרמית.

בחירה ויישום של דיודות SiGe

בעוד שטרנזיסטורי SiGe נמצאים בשוק כבר כמה שנים, דיודות SiGe הן הגעה חדשה יותר. לדוגמה, מיישרי SiGe‏ PMEG120G10ELRX‏, PMEG120G20ELRX‏ ו- PMEG120G30ELPJ מבית Nexperia הם חלק ממשפחה המגיעה בגודל ובמארזי FlatPower‏ Clip-Bonded‏ (CFP3) ו- CFP5 יעילים תרמית (איור 8‏). מארז זה הפך לסטנדרט התעשייה עבור דיודות הספק.

איור 8‏: מיישר SiGe‏ PMEG120G10ELRX‏ מגיע במארז CFP5 החוסך מקום תוך שיפור העברת החום. (מקור התמונה: Nexperia)

מהדק הנחושת המוצק של המארז מקטין למינימום את ההתנגדות התרמית כדי לשפר את העברת החום, ובכך מאפשר למתכננים להשתמש בתכני לוחות מעגלים מודפסים קומפקטיים יותר. ה- CFP3 מפחית את דרישות המקום של המיישר ב- 38 אחוז, ואילו ה- CFP5 חוסך עד 56 אחוז, בהשוואה למארזי SMA ו- SMB.

לעתים קרובות כשמציגים טכנולוגיה חדשה, המתכננים צריכים לדאוג למשתני המימוש. במקרה של דיודות SiGe מבית Nexperia, אותו מארז משמש גם לדיודות שוטקי וגם לדיודות התאוששות מהירה של החברה, ובכך מאפשר תחליף תואם עבור יישומי טמפרטורה גבוהה כולל תאורת LED, רכיבי ECU לכלי-רכב, ספקי-כוח לשרתים ותשתיות תקשורת.

מיישרי SiGe מציעים _rmax‏V‏ של עד 120 וולט (גרסות 150 ו- 200 וולט זמינות עבור דגימה), הרבה מעבר למגבלת 100 וולט של מרבית דיודות שוטקי. יתר על כן, ההתקנים נבדקו עד 200°C ללא כל בריחה תרמית או ירידת הערך הנומינלי (Derating) (תרשים 9). שימו לב שמגבלת טמפרטורת הפעולה של הרכיבים (שטח פעולה בטוח (SOA)) של 175°C+ נקבעת לא כל כך על ידי הדיודה אלא על ידי מארז הרכיב. איור 10 מראה כיצד חסינות הבריחה התרמית של דיודות SiGe מאפשרת שטח פעולה בטוח מורחב גדול יותר בהשוואה לדיודות שוטקי.

איור 9‏: מיישרי SiGe מבית Nexperia אינם סובלים מהבריחה התרמית של מיישרי שוטקי בטמפרטורות גבוהות. (מקור התמונה: Nexperia)

איור 10‏: חסינות בריחה תרמית מאפשרת שטח פעולה בטוח מורחב עבור מיישרי SiGe בהשוואה לדיודות שוטקי. (מקור התמונה: Nexperia)

מיישרי SiGe מבית Nexperia מציעים יכולות _F‏I‏ של 1‏, 2 ו- 3 אמפר (A‏) עם _R‏I‏ נמוך של nA‏ 0.2‏ (_R‏V‏ = 120 וולט (בפולסים), _j‏T‏ = 25°C‏), העולה ל- µA‏ 10‏ בטמפרטורות גבוהות (_R‏V‏ = 120 וולט (בפולסים), _j‏T‏ = 150°C+‏). בדומה לדיודות שוטקי, המיישרים הם בחירה טובה עבור אפשרויות מיתוג מהיר עם הפסדי מיתוג נמוכים ו- _rr‏t‏ של ns‏ 6‏. המוצרים מורשים ל- AEC-Q101‏.

סיכום

דיודות שוטקי (Schottky) הם אפשרות מוכחת עבור ממירי AC/DC‏ נצילים בתדר גבוה, אך ה- _R‏I‏ היחסית גבוה שלהם עלול להוביל לבריחה תרמית מזיקה ביישומי טמפרטורה גבוהה. כתוצאה מכך נאלצו המתכננים להשתמש בדיודות התאוששות מהירה עם נצילות נמוכה יותר אך יציבות-תרמית עבור הממירים הממותגים בטמפרטורה גבוהה שלהם.

עם זאת, כפי שהוצג, טכנולוגיית SiGe מוכחת מטרנזיסטורים הפכה להיות זמינה עבור דיודות. קטגוריה חדשה זו של התקנים משלבת את הנצילות ומאפייני המיתוג המהיר של דיודות שוטקי עם היציבות התרמית של דיודות התאוששות מהירה. ככאלה, הם מספקים פיתרון טוב עבור תכנים לסביבות טמפרטורה גבוהה כגון תאורת LED, יחידות ECU לכלי-רכב, ספקי-כוח לשרתים ותשתיות תקשורת.