SiGe在高溫開關(guān)應用中的優(yōu)勢及整流器性能分析

電力電子設(shè)備中的分立整流器是決定性的組件，它們會影響效率，可靠性以及諸如EV汽車中“車載充電器”之類的重要部件的尺寸。近年來，碳化硅（SiC）肖特基二極管已被確立為電力電子技術(shù)中最先進的整流器技術(shù)。但是，SiC整流器通常在650V及更高電壓下使用，與基于硅的解決方案相比，它們具有較高的價格。盡管如此，仍有許多650V以下的電力電子應用需要經(jīng)濟高效的解決方案，而又不影響設(shè)備的可靠性和性能。Nexperia已開發(fā)出一種新的基于硅鍺（SiGe）的整流器技術(shù)，適用于100-200V范圍的應用。

硅鍺（SiGe）整流器具有出色的效率和熱穩(wěn)定性

硅鍺（SiGe）整流器將硅肖特基整流器的效率與快速恢復整流器的熱穩(wěn)定性相結(jié)合，使工程師能夠優(yōu)化100V-200V電源設(shè)計以實現(xiàn)高效率。

Nexperia現(xiàn)已提供SiGe整流器，旨在用于車輛，服務器和通信基礎(chǔ)設(shè)施中的應用。這些通過AEC-Q101認證的SiGe整流器提供了一個擴展的安全工作區(qū)域，在高達175°C的溫度下沒有熱失控，特別適合在暴露于高環(huán)境溫度的應用中使用。

以前在設(shè)計100V-200V范圍內(nèi)的整流器電路時，工程師不得不在效率和工作溫度之間進行折衷。盡管肖特基整流器提供非常高的效率，但它們會遭受超過一定溫度閾值的熱失控。這意味著它們的使用受到限制，例如在汽車電子控制單元（ECU）或燃油噴射系統(tǒng)的電源電路中，這些電路通常在高于150°C的溫度下運行。

替代方法是使用快速恢復整流器。它們非常熱穩(wěn)定，但是它們具有很高的正向電壓，這會影響其效率。

SiGe和理想的整流器性能

與硅相比，SiGe技術(shù)的特征包括更小的帶隙，更快的開關(guān)頻率和更高的固有電荷載流子密度。這些特性在高頻開關(guān)性能方面具有優(yōu)勢：這就是為什么在射頻晶體管中采用SiGe器件的原因。在此之前，SiGe二極管僅在學術(shù)文獻中進行了理論上的討論，尚無實際應用。

Nexperia近年來一直在開發(fā)SiGe整流器技術(shù)，并且已經(jīng)擁有該工藝的多項專利，這些專利解決了明顯矛盾的高效和高溫操作需求。

圖1顯示了Nexperia新型SiGe整流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化圖。為了提高其性能，它們采用兩引腳夾式FlatPower（CFP）封裝（CFP3和CFP5）封裝，具有出色的散熱性能。該封裝設(shè)計與肖特基和快速恢復整流器的引腳兼容。

圖1：肖特基和SiGe整流器的結(jié)構(gòu)比較

如圖2所示，新器件保持了很高的熱穩(wěn)定性，擴展了安全工作區(qū)–在此示例中，肖特基整流器開始熱失控的溫度從140°C開始。SiGe整流器在CFP封裝規(guī)定的極限溫度175°C和更高的溫度下仍保持穩(wěn)定。當芯片內(nèi)部產(chǎn)生的反向功率超過封裝可以消耗的功率時，就會發(fā)生熱失控。在這一點上，泄漏電流的增加變得超指數(shù)。

圖2：肖特基和SiGe整流器的漏電流與外殼溫度的關(guān)系

如圖3所示，快速恢復整流器通常具有約0.9V的正向電壓。相比之下，Nexperia的第一個SiGe二極管具有1nA的低泄漏電流，如曲線所示，正向電壓等于0.75V左右，比Fast Recovery整流器好150mV。

結(jié)果是減少了約20％的傳導損耗。如何將其轉(zhuǎn)化為效率取決于多個因素，最重要的是應用的占空比。粗略估計，與最佳快速恢復二極管具有相同的熱穩(wěn)定性，效率有望提高5-10％。

圖3：肖特基，SiGe和快速恢復整流器的正向電壓與泄漏電流之間的權(quán)衡。SiGe整流器的泄漏電流比肖特基整流器低大約兩個數(shù)量級，而正向電壓降比快速恢復整流器低大約20％。

SiGe在高溫開關(guān)應用中的優(yōu)勢

除這些優(yōu)點外，與例如80V / 12V DC-DC轉(zhuǎn)換器中的肖特基整流器相比，SiGe整流器還顯示出更高的開關(guān)性能。與可比的肖特基整流器相比，SiGe整流器具有更低的反向恢復電荷和更低的反向恢復電流，從而導致更低的開關(guān)損耗和更低的響應性。

這些好處直接提高了DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率（見圖4）。在高頻下，開關(guān)損耗成為造成整體損耗的主要因素：此處，SiGe整流器比肖特基整流器更高效。

圖4：48V / 12V DC-DC轉(zhuǎn)換器在130kHz至500kHz的開關(guān)頻率下的效率。將3A SiGe整流器與3A肖特基整流器進行比較。SiGe整流器在高頻下效率的提高是由于較低的開關(guān)損耗。

總而言之，即使在高溫環(huán)境下工作，SiGe整流器也是開關(guān)模式電源的合適選擇。它們將肖特基整流器的高效率與快速恢復整流器的熱穩(wěn)定性和安全運行結(jié)合在一起。

編輯：hfy