Gebruik SiGe-gelijkrichters voor zeer efficiënte AC/DC-werking in toepassingen met hoge temperaturen

Tot voor kort hadden ingenieurs twee conventionele opties voor de diodegelijkrichters in het hart van hun snel schakelende AC/DC-voedingen: Schottky-gelijkrichters of snelherstellende gelijkrichters. Schottky-gelijkrichters bieden een laag schakelverlies en een goede efficiëntie, maar zijn onderhevig aan thermische runaway in ontwerpen die aan hoge temperaturen onderhevig zijn, zoals LED-koplampen in auto's of elektronische regeleenheden (ECU's). Snelherstellende dioden zijn stabieler bij hogere temperaturen, maar zijn minder efficiënt.

Gelijkrichters van siliciumgermanium (SiGe) vormen een nieuwe derde optie en elimineren veel van de nadelen van de andere types door de beste kenmerken van Schottky-gelijkrichters te combineren met apparaten met snelle recuperatie. Met name SiGe-gelijkrichters hebben een hoge thermische stabiliteit, waardoor zij een goede optie zijn voor toepassingen bij hoge temperaturen.

In dit artikel worden in het kort de grondbeginselen van gelijkrichters en de daarmee samenhangende uitdagingen besproken, met inbegrip van een vergelijking van conventionele Schottky- en snelherstelgelijkrichters. Vervolgens zal worden aangetoond hoe een SiGe-gelijkrichterarchitectuur de voordelen van beide combineert. Aan de hand van voorbeeldapparatuur van Nexperia zal het artikel vervolgens de belangrijkste kenmerken van SiGe-gelijkrichters schetsen en aangeven hoe SiGe-apparatuur kan worden toegepast om de problemen op te lossen die zich voordoen bij AC/DC-toepassingen met hoge temperaturen en snelle schakelingen.

De grondbeginselen van gelijkrichters

Gelijkrichters zijn essentiële circuits voor voedingen, die worden gebruikt om een wisselspanning om te zetten in een gelijkspanning, die vervolgens kan worden gebruikt om elektronische componenten van stroom te voorzien. Hoewel er vele topologieën bestaan (b.v. half- en volgolfgelijkrichters), zijn de belangrijkste onderdelen van gelijkrichters een of meer dioden.

De eenvoudigste vorm van een diode is een gedoteerde silicium (Si) p-n junctie. Wanneer de diode wordt voorgespannen (met de positieve klem van de spanningsbron aangesloten op de p-type zijde van de component en de negatieve op de n-type zijde) met een voldoende spanning om de inherente "barrier potential" of voorwaartse spanningsval van de diode te overwinnen (die ongeveer 0,7 volt bedraagt voor een Si diode), vloeit er een grote voorwaartse stroom (_IF). I_F stijgt dan evenredig met de verhoogde spanning (V_F) van de voeding. Boven de barrièrepotentiaal wordt de gradiënt van de V_F vs I_F-curve grotendeels bepaald door de bulkweerstand van de diode, maar deze is doorgaans zeer steil, zoals te zien is voor de BAS21H van Nexperia (Afbeelding 1) Daarom wordt de diode vaak in serie geschakeld met een weerstand voor overstroombeveiliging van het apparaat.

Afbeelding 1: V_F vs.I_F-karakteristiek voor de BAS21H-schakeldiode van Nexperia. Merk op hoe de geleiding begint bij ongeveer 0,7 volt voor deze p/n-type Si-diode. (Bron afbeelding: Nexperia)

Wanneer de spanning wordt omgekeerd (_VR), treedt een overeenkomstige lage omgekeerde lekstroom (_IR) op. Bij lage bedrijfstemperaturen is_IR onbelangrijk, maar omdat het temperatuurafhankelijk is, kan het bij hoge bedrijfstemperaturen een groter probleem worden. Wanneer_VR groot is, gaat de diode in een lawinemodus, en vloeit er een grote stroom, vaak voldoende om de component permanent te beschadigen. Deze spanningsdrempel in sperrichting wordt de doorslagspanning (V_br) genoemd. In hun datasheets adviseren de fabrikanten gewoonlijk een werkpiekspanning in sperrichting (V_rmax) die lager is dan V_br om een veiligheidsmarge te creëren (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De belangrijkste parameters voor de V-I-curve van een p/n-type-diode, waaronder de voorwaartse spanning (V_F), de omgekeerde stroom (I_R) en de doorslagspanning (V_br). (Bron afbeelding: Wikipedia)

In een schakeltoepassing is er, zodra de sperrichting is omgekeerd, nog voldoende lading op de diode om een aanzienlijke stroom in de omgekeerde richting toe te laten. Deze zogenaamde omgekeerde hersteltijd (t_rr) is een belangrijke ontwerpparameter, vooral voor hoogfrequente toepassingen. Het gebruik van bijkomende doteringsmiddelen zoals goud of platina in de p- en n-type halfgeleiders die de diodeovergang vormen, verkort de t_rr drastisch. Zogenaamde snelherstellende dioden die van deze materialen gebruik maken, hebben een t_rr van enkele tientallen nanoseconden (ns). De tegenprestatie voor deze snelle schakelprestaties is een verhoogde V_F; deze kan typisch oplopen van 0,7 tot 0,9 volt met een daaropvolgende daling van het rendement. DeI_R van een snelherstellende diode blijft echter gelijk aan die van een conventionele p/n-type Si diode.

In een praktische toepassing kan door de eigenschappen van de diode een grote stroom slechts in één richting vloeien, waardoor de negatieve helft van de sinusvormige wisselstroomgolf wordt geblokkeerd en de spanningsbron effectief wordt gelijkgericht tot een gelijkstroomvoeding.

Uitdagingen thermisch ontwerp

In AC/DC-conversietoepassingen zoeken ingenieurs over het algemeen naar de meest efficiënte componenten om vermogensdissipatie te verminderen en thermische problemen te beperken.

V_F is de belangrijkste factor bij het bepalen van de efficiëntie van een diode. Schottky-dioden vormen een verbetering ten opzichte van standaarddioden door de vervanging van de p- en n-type Si junctie door een metaal/n-type Si alternatief. Als gevolg hiervan wordt de voorwaartse spanningsval gereduceerd tot 0,15 à 0,45 volt (afhankelijk van de keuze van het barrièremetaal). Een bijkomend voordeel van de Schottky-diode is de zeer snelle t_rr (in de orde van 100 picoseconden (ps)). Deze eigenschappen maken de Schottky-gelijkrichter tot een populaire keuze in toepassingen zoals hoogfrequente schakelende voedingen.

Maar er zijn belangrijke nadelen aan de Schottky-gelijkrichter. Hij heeft bijvoorbeeld een relatief lage V_rmax in vergelijking met Si p/n-type diodes. Ten tweede, en dit is misschien nog belangrijker, hebben Schottky-gelijkrichters een relatief hoge I_R, die kan oplopen tot honderden microampères (µA), vergeleken met honderden nanoampères (nA) voor p/n-type Si-diodes in vergelijkbare toepassingen. Erger nog, de I_R stijgt exponentieel met de junctietemperatuur (T_j) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3:V_R vs.I_R-karakteristiek voor de Nexperia 1PS7xSB70 Schottky-diode voor algemeen gebruik. I_R is doorgaans veel hoger dan voor een equivalente p/n-type Si-diode en neemt exponentieel toe met de temperatuur. (Bron afbeelding: Nexperia)

De thermische stabiliteit van een diodegelijkrichter wordt bepaald door het delicate evenwicht tussen de zelfopwarming die door I_R wordt gegenereerd en het vermogen van de gelijkrichter om de warmte af te voeren via de thermische weerstand van het systeem (Afbeelding 4). Als de gelijkrichter in thermisch evenwicht is, kan T_j (met een vaste omgevingstemperatuur (T_amb) als thermische "aarding") worden beschreven als:

met

R_th(j-a) = De thermische weerstand tussen de diodeovergang en de omgeving

P_dissipated = Het gedissipeerde vermogen in het apparaat

Afbeelding 4: Weergegeven zijn de thermische weerstanden die aan een operationele diode worden aangeboden. (Bron afbeelding: Nexperia)

Als het door zelfopwarming opgewekte vermogen kleiner is dan het gedissipeerde vermogen, zal de T_j van het toestel tijdens bedrijf convergeren naar een stabiele toestand (Afbeelding 5). Indien echter meer zelfverhitting wordt opgewekt dan kan worden afgevoerd, neemt T_j toe tot het toestel uiteindelijk thermisch instabiel wordt. De situatie verandert snel in een thermische runaway omdat het I_R exponentieel toeneemt met de temperatuur, waardoor in feite een positieve terugkoppelingslus ontstaat.

Afbeelding 5: De stabiele bedrijfstoestand van een voorbeelddiode wordt bepaald door het evenwicht tussen: het vermogen van het thermische systeem om warmte af te voeren via de thermische weerstand (blauwe lijn (1)), en de zelfverhitting van de gelijkrichter veroorzaakt door zijn eigen omgekeerde lekstroom (I_R) (en schakelverliezen) (rode lijn (2)). Merk op hoe de zelfverhitting exponentieel toeneemt naarmate de systeemtemperatuur stijgt, resulterend in een thermische runaway. (Bron afbeelding: Nexperia)

De ontwerper loopt een groot risico van thermische runaway als een Schottky-diode die in een toepassing wordt gebruikt, wordt blootgesteld aan hoge omgevingstemperaturen, tenzij de werking ervan aanzienlijk is gereduceerd voor temperaturen boven 145 °C. Daarom zijn ingenieurs geneigd de Schottky-diode te mijden in toepassingen zoals snel schakelende LED-bestuurders of elektronische regeleenheden onder de motorkap van auto's. Tot nu toe bleef de ingenieur alleen over met de snelherstellende diode, die een laag I_R heeft en dus veel minder gevoelig is voor thermische runaway, met de daaruit voortvloeiende lagere efficiëntie.

Het SiGe-gelijkrichteralternatief

De beperkte keuze van snelherstellende diodes voor ontwerpen met hoge temperaturen en/of hoge V_rmax is uitgebreid door de opkomst van de SiGe-diodetechnologie, die de voordelen van Schottky- en snelherstellende diodes in één enkel apparaat combineert. Deze gelijkrichters vervangen de metaal-barrièreverbinding van Schottky/n-type Si door een verbinding op basis van SiGe/n-type Si (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De SiGe-gelijkrichter vervangt de metalen Schottky-barrière door SiGe. Het resultaat is een kleinere bandkloof, een grotere elektronenmobiliteit en een hogere intrinsieke ladingsdichtheid. (Bron afbeelding: Nexperia)

SiGe is, zoals de naam al aangeeft, een legering van silicium en germanium; de belangrijkste voordelen van de halfgeleider zijn een kleinere bandgap (waarbij de bandgap het energieverschil in elektronvolt (eV) is tussen de valentieband en de geleidingsband van de halfgeleider), de mogelijkheid om bij hogere frequenties te schakelen, een grotere elektronmobiliteit en een hogere intrinsieke ladingsdichtheid dan silicium. De lagere bandkloof van SiGe verlaagt de V_F van de Si/n-type SiGe junctie tot ongeveer 0,75 volt, ongeveer 150 millivolt (mV) lager dan bij een diode met snel herstel.

In de praktijk vermindert de lagere V_F de geleidingsverliezen van de diode met ongeveer 20 procent in vergelijking met een snelherstellende diode. Hoewel de efficiëntie van componenten afhankelijk is van meerdere factoren, waaronder de bedrijfscyclus van de toepassing, mag een ingenieur redelijkerwijs een verbetering van 5 tot 10 procent verwachten in vergelijkbare toepassingen. Bovendien heeft de SiGe-diode een lagere I_R dan een Schottky-diode (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: SiGe-gelijkrichters hebben een lagere I_R dan Schottky-apparaten (voor superieure werking bij hoge temperaturen) en een lagere V_F dan snelherstellende gelijkrichters (voor hogere efficiëntie). (Bron afbeelding: Nexperia)

Dankzij de hoge intrinsieke ladingsdichtheid en elektron-gatmobiliteit van de SiGe-diode heeft deze een lage t_rr, zodat deze snel kan schakelen. Deze snelle schakeling wordt ook mogelijk gemaakt door relatief lage parasitaire capaciteit en inductie. Omdat de SiGe-diode bovendien een lagere omgekeerde-terugwinningslading (Q_RR) en een lagere omgekeerde-terugwinningsstroom (I_RR) heeft dan een vergelijkbare Schottky-gelijkrichter, heeft deze lagere schakelverliezen. Dit is van cruciaal belang omdat in hoogfrequente toepassingen deze schakelverliezen een belangrijke bijdrage leveren tot de totale verliezen. De combinatie van lage I_R en lage schakelverliezen elimineert bijna alle problemen met thermische runaway.

Selecteren en toepassen van SiGe-diodes

Terwijl SiGe-transistors al verscheidene jaren op de markt zijn, zijn SiGe-dioden een recentere verschijning. Zo maken de SiGe-gelijkrichters PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX en PMEG120G30ELPJ van Nexperia deel uit van een familie die wordt geleverd in de compacte en thermisch efficiënte Clip-bonded FlatPower (CFP3)- en CFP5-pakketten (Afbeelding 8). Dit pakket is de industriestandaard geworden voor vermogensdiodes.

Afbeelding 8: De SiGe-gelijkrichter PMEG120G10ELRX is ondergebracht in een CFP5-pakket dat ruimte bespaart en de warmteoverdracht bevordert. (Bron afbeelding: Nexperia)

De massief koperen clip van het pakket minimaliseert de thermische weerstand om de warmteoverdracht te verbeteren, waardoor ontwerpers compactere printplaatontwerpen kunnen gebruiken. De CFP3 neemt 38% minder ruimte in beslag van de gelijkrichter, terwijl de CFP5 een besparing tot 56% oplevert in vergelijking met SMA- en SMB-pakketten.

Wanneer een nieuwe technologie wordt geïntroduceerd, moeten ontwerpers vaak rekening houden met implementatievariabelen. In het geval van de Nexperia SiGe-diodes wordt dezelfde verpakking ook gebruikt voor de Schottky- en snelhersteldiodes van het bedrijf, waardoor drop-in vervanging mogelijk is voor toepassingen met hoge temperaturen, waaronder LED-verlichting, elektronische controle-eenheden voor auto's, servervoedingen en communicatie-infrastructuur.

De SiGe-gelijkrichters bieden een V_rmax tot 120 volt (150 en 200 volt-versies zijn beschikbaar voor bemonstering), veel meer dan de 100 volt-limiet die door de meeste Schottky-dioden wordt opgelegd. Bovendien zijn de apparaten getest tot 200 °C zonder thermische runaway of derating (Afbeelding 9). Merk op dat de bedrijfstemperatuurlimiet van de componenten (safe operating area (SOA)) van 175 °C niet zozeer wordt bepaald door de diode als wel door de componentenverpakking. Afbeelding 10 toont hoe de thermische runaway-immuniteit van de SiGe-diodes een groter veilig werkingsgebied mogelijk maakt in vergelijking met Schottky-diodes.

Afbeelding 9: Nexperia SiGe-gelijkrichters hebben niet te lijden onder de thermische runaway van Schottky-gelijkrichters bij hoge temperaturen. (Bron afbeelding: Nexperia)

Afbeelding 10: Ongevoeligheid voor thermische runaway maakt een groter veilig werkingsgebied mogelijk voor SiGe-gelijkrichters in vergelijking met Schottky-gelijkrichters. (Bron afbeelding: Nexperia)

De Nexperia SiGe-gelijkrichters bieden I_F-capaciteiten van 1, 2 en 3 ampère (A) met een lage I_R van 0,2 nA (V_R = 120 volt (gepulseerd),T_j = 25 °C), oplopend tot 10 µA bij verhoogde temperaturen (V_R = 120 volt (gepulseerd),T_j = 150 °C). Net als Schottky-dioden zijn de gelijkrichters een goede keuze voor snelle schakelopties met lage schakelverliezen en een t_rr van 6 ns. De producten zijn gekwalificeerd volgens AEC-Q101.

Conclusie

Schottky-gelijkrichters zijn een beproefde optie voor efficiënte, hoogfrequente AC/DC-omzetters, maar hun relatief hoge I_R kan leiden tot een schadelijke thermische runaway in toepassingen met hoge temperaturen. Als gevolg daarvan moesten ontwerpers hun toevlucht nemen tot dioden met een lager rendement, maar thermisch stabiele dioden met snelle recuperatie voor hun hoge-temperatuurschakelconvertors.

Zoals echter is aangetoond, is de beproefde SiGe-technologie van transistors commercieel beschikbaar gemaakt in diodes. Deze nieuwe klasse toestellen combineert de efficiëntie en de snelle schakeleigenschappen van Schottky's met de thermische stabiliteit van snelherstellende dioden. Als zodanig bieden zij een goede oplossing voor ontwerpen die in omgevingen met hoge temperaturen worden gebruikt, zoals LED-verlichting, elektronische controle-eenheden voor auto's, voedingen voor servers en communicatie-infrastructuur.