Диоды Шотки: технология совершенствуется


PDF версия

В статье обсуждаются сравнительные достоинства и недостатки диодов Шоттки на примерах продукции ведущих производителей, а также предпочтительные области применения этих компонентов. Большое внимание уделено преимуществам карбидокремниевой технологии, обеспечивающей высокий КПД системы и меньший расход потребляемой энергии.

Карбидокремниевые диоды Шоттки используются в приложениях силовой электроники благодаря такой характеристике как низкое падение прямого напряжения, что позволяет уменьшить потери мощности по сравнению с кремниевыми диодами на p-n-переходе. За счет ряда преимуществ диоды Шоттки применяются в приложениях с низким напряжением включения, малым временем восстановления и малой емкостью перехода.
Высокая плотность тока диодов Шоттки и малое падение прямого напряжения обеспечивают меньшее потребление мощности, чем традиционные диоды на p-n-переходе. За счет большей энергоэффективности диодам Шоттки требуется меньшее охлаждение.

Меньшее напряжение включения

Как видно из рисунка 1, у диода Шоттки — типичная характеристика полупроводникового диода в прямом направлении, но с намного меньшим напряжением включения. При больших значениях тока угол ее наклона уменьшается, и она ограничивается последовательным сопротивлением или максимальным уровнем тока инжекции. У стандартного диода на p-n-переходе падение напряжения заключено в диапазоне 0,6…1,7 В, а у диода Шоттки — в пределах 0,15…0,45 В. Меньшее падение напряжения позволяет повысить скорость переключения, а также КПД системы.
Существенное отличие диодов на p-n-переходе и диодов Шоттки заключается во времени обратного восстановления, когда диод переключается из непроводящего состояния в проводящее, и наоборот. У стандартного диода с p-n-переходом это время составляет сотни наносекунд и меньше в случае с ультрабыстрыми диодами на p-n-переходе. У диодов Шоттки время обратного восстановления настолько мало, что не нормируется. У высокомощных диодов Шоттки время переключения достигает десятков наносекунд. При переключении p-n-перехода возникает обратный ток восстановления, что приводит к появлению электромагнитных помех. Напротив, диоды Шоттки переключаются практически мгновенно, т.к. их емкостная нагрузка невелика.

 

Рис. 1. Ампер-вольтные характеристики сдвоенного кремниевого диода Шоттки STPS30150C компании STMicroelectronics при 150 В

Диод Шоттки — полупроводник с носителями основного типа. Если он легирован носителями n-типа, они играют определяющую роль в нормальных условиях функционирования устройства. Основные носители быстро инжектируются в зону проводимости металлического контакта, находящегося на другой стороне диода, и становятся свободно перемещающимися электронами. Таким образом, диод Шоттки прекращает проводить быстрее, чем диод на p-n-переходе. Это качество позволяет использовать устройство меньшего размера и с более быстрым переходом. Одной из причин, по которой диод Шоттки используется в импульсных источниках питания, является его высокая скорость, т.е. возможность работать в диапазоне частот 200 кГц…2 МГц. Как следствие, в схеме используются дроссели и конденсаторы меньшего размера.
У диодов Шоттки имеются ограничения — их относительно малое номинальное обратное напряжение. Обратный ток утечки, увеличиваясь с ростом температуры, может вызвать температурную нестабильность устройства. Часто это обстоятельство вынуждает ограничивать обратное напряжение диода величиной, значительно меньшей максимально допустимой.
Таким образом, к недостаткам диодов Шоттки относятся:
– намного больше обратный ток утечки, чем у стандартных диодов на p-n-переходе;
– максимальная температура перехода, которая, как правило, ограничена диапазоном 125–175°C по сравнению с 200°C у выпрямителей на кремниевых диодах;
– ограниченное обратное напряжение, максимальное значение которого, как правило, составляет около 100 В.

Карбидокремниевые диоды Шоттки

За последнее десятилетие карбидокремниевые (SiC) диоды Шоттки стали выпускаться на напряжения в 300…700 В. У этого типа диодов примерно в 40 раз меньше обратный ток утечки, чем у кремниевых диодов Шоттки. У карбида кремния высокая удельная теплопроводность и потому изменение температуры мало сказывается на его параметрах переключения и тепловых характеристиках. Благодаря специальному корпусу рабочая температура перехода может превышать 500 К, что исключает необходимость в принудительном охлаждении этих устройств в авиакосмических приложениях.
Падение прямого напряжения у стандартных кремниевых диодов составляет около 0,6 В, а у германиевых — 0,3 В. На рисунке 2 показаны характеристики типичного карбидокремниевого диода Шоттки.
Компания Cree анонсировала линейку карбидокремниевых диодов Шоттки на 650 В, в которой учтены последние изменения в силовой архитектуре центров обработки данных (ЦОД). По мнению отраслевых экспертов, энергоэффективность за счет этих устройств вырастет до 5%. В силу того, что ЦОД потребляют около 10% всей вырабатываемой в мире электрической энергии, любое увеличение КПД систем позволяет значительно снизить суммарное потребление.

 

Рис. 2. Ампер-вольтные характеристики карбидокремниевого диода Шоттки CSD01060 компании Cree при 600 В

Диапазон входного напряжения стандартных импульсных источников питания, как правило, составляет 90…264 В. Существующие ЦОД питаются от трехфазных 480-В сетей. Напряжение этих сетей преобразуется силовым трансформатором в 208 В, а затем подается на источник питания сервера. Потери в трансформаторе уменьшают совокупную эффективность источника тока.

Универсальный вход

Чтобы повысить КПД силовой архитектуры ЦОД, в последнее время стало исключаться преобразование 480 В/208 В. При этом вместо того чтобы подавать напряжение 120 В АС с 3-фазной 208-В линии относительно нейтрали, на источники питания серверов подается напряжение более широкого диапазона 90…305 В (277 В плюс 10% на защитную полосу) непосредственно с 3-фазной 480-А линии относительно нейтрали.
Для оптимального функционирования источников питания серверов с высоким входным напряжением диапазона 90…305 В требуются диоды Шоттки, у которых расширенный диапазон максимального запирающего напряжения, достигающего 650 В. Новые 650-В компоненты Cree обеспечивают необходимое решение при построении современных источников питания для серверов ЦОД и оборудования связи. Эти карбидокремниевые диоды не только характеризуются высоким запирающим напряжением в 650 В, но и позволяют снизить расход электроэнергии по сравнению с кремниевыми устройствами за счет отсутствия потерь на обратное восстановление.
В семейство 650-В диодов Шоттки серии C3DXX065A входят 4-, 6-, 8- и 10-А варианты устройств в корпусах TO-220-2. Диапазон рабочих температур этих компонентов составляет –55…175°C.
Cree также анонсировала первые в отрасли 1700-В диоды Шоттки для коммерческого применения. За счет того, что эти диоды не имеют потерь при переключении, они с успехом используются в высоковольтных преобразователях для электроприводов, в ветроэнергетических установках и городском транспорте.
В число первых изделий 1700-В серии вошли диоды Шоттки на 10 и 25 А, выполненные в виде кристаллов для интеграции в 1700-В силовые модули, которые работают в диапазоне токов 50…600 А. Новая серия диодов на 1700 В позволяет увеличить КПД, надежность и срок службы силовых систем, уменьшив общие размеры системы, ее вес и стоимость.
В 2010 г. компания Infineon Technologies анонсировала второе поколение карбидокремниевых диодов Шоттки в корпусе TO-220 FullPAK. Это полностью изолированный корпус, который обеспечивает более простой и надежный монтаж и не требует изоляции.
Устройства в корпусе TO-220 FullPAK характеризуются тем же тепловым сопротивлением между переходом и теплоотводом, что и неизолированные устройства в корпусе TO-220. Это достигается за счет запатентованного метода диффузионной пайки, применение которого позволяет существенно снизить тепловое сопротивление между кристаллом и выводами, а также эффективно компенсировать тепловое сопротивление внутреннего изолирующего слоя FullPAK. Infineon предлагает серию компонентов в корпусе FullPAK на номинальные токи 2…6 А. Эти карбидокремниевые диоды Шоттки рассчитаны на 600 и 1200 В.

Коррекция коэффициента мощности

Коррекция коэффициента активной мощности широко используется в схемах импульсных источников питания AC/DC в соответствии с требованиями IEC-61000-4-3, вступившими в силу в январе 2001 г. Для импульсных источников питания с выходной номинальной мощностью выше 300 Вт повышающие преобразователи с активным ККМ, как правило, проектируются для работы в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode, CCM). Карбидокремниевые диоды Шоттки идеально подходят для таких приложений.
Во время выключения вольтодобавочного диода схемы ККМ и включения повышающего MOSFET избыточный обратный ток восстановления в кремниевом диоде повышает в нем потери на переключение. Кроме того, этот ток увеличивает потери при коммутации MOSFET, что приводит к необходимости использовать MOSFET и повышающий диод большего размера, чтобы соответствовать требованиям к эффективности и тепловым характеристикам.
Применение обычных кремниевых диодов в импульсных источниках питания приводит к потере 1% КПД из-за того, что диоды не выключаются мгновенно. Карбидокремниевые устройства позволяют снизить расход энергии при переключении. За счет такой экономии карбидокремниевая технология допускает меньшие значения максимального номинального тока диода. В результате размеры схемных компонентов уменьшаются при той же потребляемой мощности. В высоковольтных системах размеры теплоотводов уменьшаются, за счет чего плотность мощности источников тока растет.
Еще одним преимуществом использования карбидокремниевых диодов в импульсных источниках питания является возможность функционирования на более высоких частотах переключения, что, в свою очередь, позволяет уменьшить размеры и стоимость таких компонентов как конденсаторы фильтров и дроссели, а также сократить энергопотребление.

Отсутствие заряда обратного восстановления

Карбидокремниевая технология имеет ряд преимуществ за счет того, что заряд обратного восстановления не накапливается в режиме нормальной проводимости диода. Когда стандартный биполярный кремниевый диод выключается, этот заряд рассеивается при рекомбинации групп носителей заряда вблизи области перехода. Ток, протекающий во время рекомбинации, называется обратным током восстановления. Протекание этого нежелательного тока совместно с напряжением на соответствующих силовых ключах приводит к выделению на них тепла.
За счет отсутствия заряда обратного восстановления у карбидокремниевых диодов Шоттки намного меньшие потери при переключении. Следовательно, их эффективность выше, а рассеиваемое тепло — меньше. На рисунке 3 сравнивается время восстановления стандартного диода Шоттки, ультрабыстрого диода Шоттки STTH806DTI и карбидокремниевого диода Шоттки STPSC606D компании STMicroelectronics.

 

Рис. 3. Сравнение времени восстановления диодов Шоттки компании STMicroelectronics

Тестирование показало, что у карбидокремниевого диода Шоттки эффективность взыше на 0,5%, а при большой нагрузке на высоких частотах — на 1%. Использование карбидокремниевых диодов также позволяет увеличить плотность мощности за счет дросселя и трансформатора меньшего размера при увеличении частоты переключения.
Наконец, отсутствие шумов от карбидокремниевых диодов позволяет уменьшить и размеры фильтра электромагнитных помех. В результате плотность мощности дополнительно возрастает.

 

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *