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，因為它的反向恢復(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。這進一步降低了傳導(dǎo)損耗。

本文簡要討論了 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，它會保持導(dǎo)電狀態(tài)，同時帶電載流子從結(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。更高的溫度范圍允許更高的功率密度，從而實現(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)時間。在更高的開關(guān)頻率下工作會導(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)域迫使最大場強的總面積向下，遠離具有缺陷的金屬勢壘，進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)（實線）之間的正向壓降比較表明，MPS 二極管在增加正向電流時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保持更一致的正向壓降。請注意，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 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） 拓撲結(jié)構(gòu)的電路。另一個常見應(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，這會導(dǎo)致驅(qū)動特定負載所需的電流增加。功率因數(shù)低的負載中的高峰值電流也會導(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 電源中實現(xiàn)的典型有源 PFC 級示例。（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 是一個電子開關(guān)，由 PFC IC（未顯示）“打開”和“關(guān)閉”。當(dāng) MOSFET “導(dǎo)通”時，通過電感的電流呈線性增加。此時，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，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，電感電流在整個開關(guān)周期內(nèi)不會降至零。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 升壓電路中的瞬時電流和平均電流。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

與電感電流達到零且二極管開關(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不會下降到零，因此當(dāng)開關(guān)改變狀態(tài)時，電感電流不為零。當(dāng)二極管切換到反向狀態(tài)時，反向恢復(fù)會顯著增加損耗。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。