適合各種電源應(yīng)用的碳化硅肖特基二極管

功率因數(shù)校正(PFC)市場(chǎng)主要受與降低諧波失真有關(guān)的全球性規(guī)定影響。歐洲的EN61000-3-2是交直流供電市場(chǎng)的基本規(guī)定之一，在英國(guó)、日本和中國(guó)也存在類似的標(biāo)準(zhǔn)。EN61000-3-2規(guī)定了所有功耗超過75W的離線設(shè)備的諧波標(biāo)準(zhǔn)。由于北美沒有管理PFC的規(guī)定，能源節(jié)省和空間/成本的考慮成為在消費(fèi)類產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域中必須使用PFC的附加驅(qū)動(dòng)因素。

主動(dòng)PFC有兩種通用模式：使用三角形和梯形電流波形的不連續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式(CCM)。DCM模式一般用于輸出功率在75W到300W之間的應(yīng)用；CCM模式用于輸出功率大于300W的應(yīng)用。當(dāng)輸出功率超過250W時(shí)，PFC具有成本效益，因?yàn)槠渌矫?比如效率)得到了補(bǔ)償性的提高，因此實(shí)際上不增加額外的成本。

主動(dòng)PFC是服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)(SSI)一致性的要求：供電模塊應(yīng)該采用帶主動(dòng)功率因數(shù)校正的通用電源輸入，從而可以減少諧波，符合EN61000-3-2和JEIDA MITI標(biāo)準(zhǔn)。這就需要高功率密度應(yīng)用能夠提供較寬的輸入電壓范圍(85~265V)，從而給PFC級(jí)電路使用的半導(dǎo)體提出了特殊的要求。

在輸入85V交流電壓時(shí)，必須有最低的Rdson，因?yàn)閭鲗?dǎo)熱損失與輸入電壓的3次方成反比關(guān)系。這種MOSFET管的高頻工作能夠顯著減少升壓抑制。因此晶體管的快速開關(guān)特性是必須的。升壓二極管應(yīng)該具有快速開關(guān)、低Vf和低Qrr特性。為了減少M(fèi)OSFET在接通時(shí)的峰值電流壓力，低Qrr是必須的。如果沒有這一特性，升壓MOSFET將增加溫度和Rdson，導(dǎo)致更多的功率損失，從而降低效率。在高功率密度應(yīng)用中效率是取得較小體積(30W/cm3英寸)和減少無源器件尺寸的關(guān)鍵因素。因此高的開關(guān)頻率必不可少。

為了設(shè)計(jì)效率和外形尺寸最優(yōu)的CCM PFC，升壓二極管還必須具備以下一些特性：較短的反向恢復(fù)和正向恢復(fù)時(shí)間；最小的儲(chǔ)存電荷Q；低的漏電流和最低的開關(guān)損耗。過壓和浪涌電流能力非常重要，它們能夠用來處理PFC中由啟動(dòng)和交流回落引起的浪涌和過電流。這些特性只有用碳化硅肖特基二極管(SiC肖特基二極管)才能實(shí)現(xiàn)。

由于SiC肖特基二極管中缺少正向和反向恢復(fù)電荷，因此可以用更小的升壓MOSFET。這樣做除了成本得到降低外，器件溫度也會(huì)降低，從而使SMPS具有更高的可靠性。

由于SiC肖特基二極管的開關(guān)行為獨(dú)立于正向電流(Iload)、開關(guān)速度(di/dt)和溫度，因此這種二極管在設(shè)計(jì)中很容易使用。在設(shè)計(jì)中采用SiC肖特基二極管能夠?qū)崿F(xiàn)最大的開關(guān)工作頻率(最高可達(dá)1MHz)，從而可以使用更小體積的無源器件。

最低的開關(guān)損耗和低的Vf能使用更小的散熱器或風(fēng)扇。另外，由于具有正的溫度系數(shù)，SiC肖特基二極管能夠非常方便地并行放置。

thinQ!2G向理想的高電壓二極管邁進(jìn)

新一代IFX SiC肖特基二極管(thinQ!2G)融合了普通SiC肖特基二極管和雙極pn結(jié)構(gòu)，從而具有非常高的浪涌電流承受能力和穩(wěn)定的過壓特性。

圖1對(duì)SiC肖特基二極管結(jié)構(gòu)與合并后的pn肖特基二極管概念進(jìn)行比較。p區(qū)域針對(duì)發(fā)射極效率和電導(dǎo)率作了優(yōu)化，因此在正向電壓超過4V時(shí)能用作浪涌電流的旁路通道。

圖1：(a) 傳統(tǒng)SiC肖特基二極管的截面圖；(b) 具有合并p摻雜島的thinQ!2G SiC二極管

改進(jìn)的浪涌電流能力

thinQ!2G提供改進(jìn)的浪涌電流功能，允許針對(duì)應(yīng)用中的平均電流條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是說，大多數(shù)的啟動(dòng)和AC回落引起的浪涌和過流能很好地獲得處理。圖2表明，在正常工作狀態(tài)，thinQ!2G的行為與具有零反向恢復(fù)電荷的普通肖特基二極管沒什么兩樣，在大電流狀態(tài)其正向特性如同雙極pn二極管一樣，能夠顯著減少功率損耗。

圖2：SiC肖特基二極管和thinQ!2G的浪涌電流比較

由于改進(jìn)的浪涌電流能力使得在指定應(yīng)用中采用更低標(biāo)稱電流的二極管進(jìn)行設(shè)計(jì)成為可能。到目前為止，二極管的浪涌電流額定值仍是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。已經(jīng)具有良好浪涌電流標(biāo)稱值的6A二極管IFSM=21A@10ms的thinQ!被極大地增強(qiáng)為IFSM 49A@10ms的thinQ!2G。

對(duì)實(shí)際應(yīng)用(6A IFX第一代SiC肖特基二極管、PFC、寬范圍)進(jìn)行的測(cè)試證實(shí)了這些改進(jìn)：6A第一代SiC肖特基二極管足以用來處理啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，結(jié)溫會(huì)升高到50℃。這種情況非常接近由于肖特基特性而引起的熱失控，如圖2所示。在通常情況下可以使用更小體積的二極管。

新的4A thinQ!2G能夠更好地處理同一應(yīng)用中的啟動(dòng)狀況。溫度只升高到35℃。由于是雙極特性，因此到達(dá)最高結(jié)溫時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱量失控。設(shè)計(jì)工作于正常情況的thinQ!2G具有足夠的余量來處理異常情況。

穩(wěn)定的過壓特性

除了改進(jìn)的浪涌電流功能外，融合pn肖特基概念的thinQ!2G能夠承受實(shí)際的雪崩電流擊穿條件。這對(duì)目前市場(chǎng)上的任何其它SiC肖特基二極管來說都是不可能的。這是低電阻率和合并肖特基結(jié)構(gòu)中p島的設(shè)計(jì)造成的，它能保證在肖特基接口處的電場(chǎng)到達(dá)破壞性值前開始雪崩(圖3)。

圖3：thinQ!2G穩(wěn)定的過壓特性

正溫度系數(shù)使thinQ!2G具有了穩(wěn)定的雪崩和過壓行為，并使直接與電力網(wǎng)連接的電信和服務(wù)網(wǎng)中的PFC級(jí)應(yīng)用在瞬時(shí)脈沖和過壓狀態(tài)下具有更高的可靠性、抗擾性和魯棒性。

在PFC級(jí)中的瞬態(tài)變化期間，過壓可以被500~550V左右的大電容(對(duì)于常用的450V大電容)齊納擊穿。在這種應(yīng)力條件下，thinQ!2G能夠遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的過壓行為。這種改進(jìn)的過壓和浪涌電流能力可以使二極管的壓力減小，使應(yīng)用具有更高的可靠性。

SiC肖特基二極管——適合各種供電條件的解決方案

利用具有獨(dú)特性能的碳化硅作為器件材料，能制造出接近理想功能特性的升壓二極管，并適合PFC應(yīng)用中的各種功率級(jí)別。SiC肖特基二極管具有的無反向恢復(fù)電荷、反向特性與開關(guān)速度、溫度和正向電流無關(guān)的特性均能減少PFC應(yīng)用中的功率損耗。這對(duì)服務(wù)器和高端PC電源來說尤其重要，因?yàn)樾侍岣叩囊笞兊迷絹碓街匾貏e是要滿足80plus等法規(guī)要求時(shí)。

圖4： 英飛凌的thinQ! 2G碳化硅肖特基二極管

thinQ!2G在這些重要性能的基礎(chǔ)上增加了獨(dú)特的過流和過壓能力。浪涌電流能力有助于設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的額定電流值，由于可以采用更低額定電流值的二極管，因此具有成本優(yōu)勢(shì)。過壓特性在電信和無線基礎(chǔ)應(yīng)用等苛刻環(huán)境中非常重要。在這些應(yīng)用中，能夠克服過壓尖峰和異常線路狀態(tài)并由此提高可靠性的健壯能力是必須的。

通過使用能夠提供最低開關(guān)損耗的SiC二極管來提高效率在UPS和太陽能逆變器等系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)用到，在這些系統(tǒng)中每次損耗的減少都能直接帶來良好的回報(bào)。針對(duì)日益提高的效率目標(biāo)，我們希望碳化硅二極管的應(yīng)用能轉(zhuǎn)移到更低的功率級(jí)別：利用thinQ!2G可以滿足更多的需要更高環(huán)境溫度、更高器件溫度和更高可靠性的應(yīng)用。