使用 MPS SiC 二極管可最大限度地降低高頻開關(guān)模式電源中的損耗

高頻開關(guān)模式電路，例如使用連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 的功率因數(shù)校正 （PFC） 電路，需要具有低開關(guān)損耗的二極管。對(duì)于 CCM 模式下的傳統(tǒng)硅 （Si） 二極管，這些開關(guān)損耗是由關(guān)斷期間二極管結(jié)中存儲(chǔ)的電荷導(dǎo)致二極管的反向恢復(fù)電流引起的。最小化這些損耗通常需要具有更大平均正向電流的 Si 二極管，從而導(dǎo)致更大的物理尺寸和更高的成本。

碳化硅 （SiC） 二極管是 CCM PFC 電路中更好的選擇，因?yàn)樗姆聪蚧謴?fù)電流本質(zhì)上只是電容性的。減少 SiC 器件中的少數(shù)載流子注入意味著 SiC 二極管的開關(guān)損耗接近于零。此外，與傳統(tǒng)的 SiC 肖特基二極管類似，合并的 PIN 肖特基 （MPS） SiC 二極管可降低器件的正向壓降。這進(jìn)一步降低了傳導(dǎo)損耗。

本文簡(jiǎn)要討論了 CCM PFC 電路中低損耗開關(guān)的挑戰(zhàn)。然后，本文介紹了 Vishay General Semiconductor Diodes Division 的 MPS 器件示例，并展示了如何應(yīng)用它來最大限度地減少損耗。

低損耗開關(guān)要求

額定功率超過 300 瓦的 AC/DC 開關(guān)模式電源通常使用 PFC 來幫助滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，例如 IEC61000-4-3，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無功功率和線路諧波水平。PFC 電源中使用的二極管，尤其是在高頻運(yùn)行的開關(guān)電源中，必須能夠處理電源的額定功率以及與電路導(dǎo)通和開關(guān)動(dòng)作相關(guān)的相關(guān)損耗。Si 器件具有明顯的反向恢復(fù)損耗。當(dāng) Si 二極管從導(dǎo)電狀態(tài)切換到非導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，它會(huì)保持導(dǎo)電狀態(tài)，同時(shí)帶電載流子從結(jié)中移除。這導(dǎo)致在二極管的反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)有大量電流流過，這成為 Si 二極管的關(guān)斷損耗。

SiC 肖特基二極管的反向恢復(fù)僅限于電容放電，電容放電發(fā)生得更快，有效消除了關(guān)斷損耗。SiC 二極管具有較高的正向壓降，這可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通損耗，但壓降是可以控制的。SiC 二極管還具有能夠處理更高溫度范圍和更快開關(guān)的優(yōu)勢(shì)。更高的溫度范圍允許更高的功率密度，從而實(shí)現(xiàn)更小的封裝。更快的開關(guān)速度是由于肖特基結(jié)構(gòu)和 SiC 更短的反向恢復(fù)時(shí)間。在更高的開關(guān)頻率下工作會(huì)導(dǎo)致更小的電感器和電容器值，從而提高電源的體積效率。

SiC MPS 二極管

SiC MPS 二極管結(jié)合了肖特基二極管和 PIN 二極管的有用特性。這種結(jié)構(gòu)使二極管具有快速開關(guān)、低導(dǎo)通態(tài)壓降、低關(guān)斷態(tài)泄漏和良好的高溫特性。

使用純肖特基結(jié)的二極管可提供盡可能低的正向電壓，但在大電流下會(huì)遇到問題，例如某些 PFC 應(yīng)用中的浪涌電流。MPS 二極管通過在肖特基結(jié)構(gòu)的金屬漂移區(qū)下方植入 P 摻雜區(qū)域來提高浪涌電流性能（圖 1）。這與肖特基二極管陽極處的金屬形成 P-Ohmic 接觸，并與輕摻雜的 SiC 漂移或外延層形成 P-N 結(jié)。

圖 1：所示為 SiC 肖特基二極管（左）和 MPS（右）二極管的結(jié)構(gòu)比較。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

在正常情況下，MPS 二極管的肖特基結(jié)構(gòu)幾乎傳導(dǎo)整個(gè)電流，二極管的行為類似于肖特基二極管，具有隨之而來的開關(guān)特性。

在高瞬態(tài)浪涌電流的情況下，MPS 二極管兩端的電壓會(huì)增加到超過內(nèi)置 P-N 二極管的閾值電壓，該二極管開始導(dǎo)通，從而降低局部電阻。這會(huì)將電流轉(zhuǎn)移通過 P-N 結(jié)區(qū)域，從而限制功率耗散并降低 MPS 二極管中的熱應(yīng)力。在大電流下漂移區(qū)電導(dǎo)率的增加使正向電壓保持在低值。

SiC 器件的浪涌電流性能來自于器件的單極特性及其相對(duì)較高的漂移層電阻。MPS 結(jié)構(gòu)也改善了這一性能參數(shù)，而 P 摻雜區(qū)域的幾何位置、大小和摻雜濃度會(huì)影響最終特性。正向壓降是漏電流和浪涌電流額定值之間的折衷方案。

在反向偏置下，P 摻雜區(qū)域迫使最大場(chǎng)強(qiáng)的總面積向下，遠(yuǎn)離具有缺陷的金屬勢(shì)壘，進(jìn)入幾乎無缺陷的漂移層，從而降低總泄漏電流。這允許 MPS 器件在相同的漏電流和漂移層厚度下在更高的擊穿電壓下工作。

Vishay 的 MPS 結(jié)構(gòu)采用薄膜技術(shù)，其中激光退火用于減薄二極管結(jié)構(gòu)的背面，與早期解決方案相比，正向壓降降低了 0.3 伏。此外，二極管的正向壓降幾乎與溫度無關(guān)（圖 2）。

圖 2：純肖特基二極管結(jié)構(gòu)（虛線）和 MPS 二極管結(jié)構(gòu)（實(shí)線）之間的正向壓降比較表明，MPS 二極管在增加正向電流時(shí)保持更一致的正向壓降。（圖片來源：Vishay Semiconductors）

該圖顯示了兩種二極管的正向電壓與正向電流的關(guān)系，以溫度為參數(shù)。對(duì)于高于 45 安培 （A） 的電流，純肖特基二極管的正向電壓降呈指數(shù)增加。MPS 二極管在增加正向電流時(shí)保持更一致的正向壓降。請(qǐng)注意，MPS 二極管中的正向電流水平越高，正向電壓越高，溫度越高。

MPS 二極管示例

Vishay 的高級(jí) SiC MPS 二極管的額定電壓為 1200 反向峰值電壓，正向電流額定值為 5 至 40 A。例如，VS-3C05ET12T-M3（圖 3）是采用 TO-220-2 外殼的通孔安裝二極管，額定正向電流為 5 A，在其全額定電流下正向電壓為 1.5 V。二極管的反向漏電流為 30 微安 （mA），額定最高工作結(jié)溫為 +175°C。

圖 3：VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS 二極管采用通孔封裝，額定正向電流為 5 A，在其全額定電流下正向電壓為 1.5 V。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

該二極管系列是高速、硬開關(guān)應(yīng)用的最佳選擇，可在較寬的溫度范圍內(nèi)提供高效運(yùn)行。

MPS SiC 二極管應(yīng)用

MPS 二極管通常應(yīng)用于各種開關(guān)模式電源電路，例如 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，包括光伏應(yīng)用中常見的使用全橋相移 （FBPS） 和電感器-電感器-電容器 （LLC） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路。另一個(gè)常見應(yīng)用是使用 PFC 電路的 AC/DC 電源。

功率因數(shù)是有功功率與視在功率之比，衡量電氣設(shè)備中輸入功率的使用效率。功率因數(shù)為 1 是理想的。較低的功率因數(shù)意味著視在功率大于有功功率，這會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載所需的電流增加。功率因數(shù)低的負(fù)載中的高峰值電流也會(huì)導(dǎo)致電力線上出現(xiàn)諧波。電源供應(yīng)商通常指定用戶功率因數(shù)的允許范圍。AC/DC 電源可以設(shè)計(jì)為包含 PFC（圖 4）。

圖 4：所示是在帶有升壓轉(zhuǎn)換器的 AC/DC 電源中實(shí)現(xiàn)的典型有源 PFC 級(jí)示例。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

在圖 4 中，橋式整流器 B1 將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流輸入。MOSFET Q1 是一個(gè)電子開關(guān)，由 PFC IC（未顯示）“打開”和“關(guān)閉”。當(dāng) MOSFET “導(dǎo)通”時(shí)，通過電感的電流呈線性增加。此時(shí)，SiC 二極管被輸出電容器上的電壓 （C外），并且 SiC 二極管的低反向漏電流最大限度地減少了漏損。當(dāng) MOSFET “關(guān)斷”時(shí)，電感器向 C 提供線性遞減的電流外通過正向偏置輸出整流二極管。

在 CCM PFC 電路中，電感電流在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)不會(huì)降至零。CCM PFC 常見于提供數(shù)百瓦或更高功率的電源中。MOSFET 開關(guān)由 PFC IC 進(jìn)行脈寬調(diào)制 （PWM），因此電源電路的輸入阻抗顯示為純電阻性（功率因數(shù)為 1），并且峰值與平均電流的比值（波峰因數(shù)）保持在較低水平（圖 5）。

圖 5：所示為 CCM PFC 升壓電路中的瞬時(shí)電流和平均電流。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

與電感電流達(dá)到零且二極管開關(guān)處于無偏置狀態(tài)的不連續(xù)和臨界電流工作模式不同，CCM 電路中的電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)下降到零，因此當(dāng)開關(guān)改變狀態(tài)時(shí)，電感電流不為零。當(dāng)二極管切換到反向狀態(tài)時(shí)，反向恢復(fù)會(huì)顯著增加損耗。使用 MPS SiC 二極管可以消除這些損耗。使用 MPS SiC 二極管后，開關(guān)損耗降低，從而減小了二極管和有源開關(guān)的芯片尺寸和成本。

結(jié)論

與 Si 相比，Vishay 的 MPS SiC 肖特基二極管具有更高的正向電流額定值、更低的正向壓降和更低的反向恢復(fù)損耗，所有這些都采用更小的封裝和更高的額定溫度。因此，它們非常適合用于開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)。