Силовая электроника №2'2005

Новые GaAS силовые диоды для корректора коэффициента мощности фирмы IXYS

Иван Полянский


Одной из важнейших задач в разработке современных источников электропитания и модулей коррекции коэффициента мощности (ККМ) является увеличение удельной мощности изделия и сокращение его массы и габаритов. Для решения данной проблемы требуется переход на более высокие рабочие частоты и, соответственно, применение новых быстродействующих компонентов силовой электроники. Одним из наиболее значимых элементов ключевой схемы является быстрый силовой диод.


В этой связи часто возникает вопрос об ограничениях, существующих у стандартных кремниевых диодов. Наличие процесса обратного восстановления у кремниевых диодов обусловливает потери переключения, которые приводят к значительному росту мощности, рассеиваемой прибором на высоких частотах. Поэтому для высокочастотных применений материалы с более высокой запрещенной зоной, такие как SiCa и GaAs, оказываются более эффективными.

Технология GaAs является хорошо отработанной и активно применяется в современной электронике для производства широкого спектра элементов. Кристаллы GaAs производятся на стандартном оборудовании и имеют высокий процент выхода годных изделий, обеспечивая необходимый для промышленного применения уровень надежности. Основное ограничение данной технологии — невысокое рабочее напряжение, обусловленное физическими свойствами этого полупроводника.

Карбид кремния является «молодым» материалом, имеющим очень хорошие перспективы для высоковольтных приложений, а его уникальные свойства позволяют освоить недостижимые ранее рабочие частоты. Основной проблемой применения SiCa является уникальность и сложность технологического процесса, которая в конечном счете приводит к увеличению себестоимости таких элементов. Рано или поздно это препятствие будет преодолено, поскольку совершенствованием данной технологии занимаются практически все известные мировые производители кристаллов.

Как было сказано ранее, GaAs силоваые диоды использовались только для напряжений не выше 300 В (ограничение определяется физическими свойствами материала), таких как различные DC-DC преобразователи (36 и 48 В), в то время как применение в ККМ требует приборов с напряжением 600 В, в качестве которых себя хорошо зарекомендовали силовые диоды по технологии SiCa.

Компания IXYS представила новое (второе) поколение силовых диодов GaAs с рабочим напряжением 600 В в качестве альтернативы диодам, производимым по технологии SiCa. Эти диоды получили название «силовые диоды Шоттки инжекционного типа».

Рассмотрим подробнее структуру такого диода. Когда уровень барьера Шоттки выбран выше чем уровень запрещенной зоны проводника, область непосредственно прилегающая к металлу, становится p-типа, поскольку электроны из полупроводника будут переходить в металл до момента достижения уровня Ферми. При прямом протекающем токе, дырки из этой p-области будут инжектироваться в нейтральную n-область и создавать дополнительный ток. При большой плотности тока дополнительные электроны, вносимые из n-области, будут поддерживать нейтральность этого заряда. Данный эффект приводит к «модуляции» проводимости n-области.

В результате силовые диоды демонстрируют уменьшение дифференциального сопротивления при увеличении протекающего тока и температуры (рис. 1), что приводит к уменьшению прямого падения напряжения VF и увеличению допустимых значений токов. Благодаря очень малому времени жизни отрицательных носителей заряда в GaAs, время обратного восстановления также остается малым, сопоставимым с величиной, характерной для SiCa.

Рис. 1. Прямая характеристика диодов GaAs, SiC
Рис. 1. Прямая характеристика силовых диодов GaAs, SiC

Первое поколение GaAs силовых диодов Шоттки (обедненные диоды Шоттки) обладали низкой температурной зависимостью характеристик, но имели большее прямое падение напряжения. Второе поколение инжекционных силовых диодов Шоттки показывает уменьшение дифференциального сопротивления с увеличением прямого тока и температуры вследствие эффекта модуляции заряда. По ряду технических характеристик они превосходят обычные SiCa силовых диоды.

В новой диодной сборке DGSS10-06CC применены два последовательно соединенных GaAs силовых диода второго поколения с напряжением 300 В, упакованные в изолированный корпус ISOPLUS220. В результате общая емкость снижена не только за счет последовательного соединения двух кристаллов, но и в результате применения ISOPLUS корпуса, чья емкость составляет всего 15 пФ, по сравнению с 124 пФ для TO-220.

Для демонстрации параметров работы различных силовых диодов, рассчитанных на 600 В и 10 А, было проведено тестирование в схеме ККМ (см. рис. 2) мощностью 200 Вт, работающей в режиме непрерывного тока (CCM). Входное напряжение варьируется от 90 до 260 В, рабочая частота — от 100 до 250 кГц. Измерения проводились при температуре окружающей среды 20 и 70 °С. В схеме применялся MOSFET силовой транзистор 11N60S5 производства Infineon. В качестве косвенной величины, характеризующей потери, использовалась температура кристалла диода и силового транзистора.

Рис. 2

Рисунок 3 показывает эффективность работы тестовой схемы при различных входных напряжениях. Как видно из графиков, применение силовых диодов GaAs и SiCa позволяет получить существенно лучшие показатели по сравнению с обычными кремниевыми диодами.

Рис. 3. Зависимость кпд тестовой схемы от входного напряжения
Рис. 3. Зависимость кпд тестовой схемы от входного напряжения

Рисунок 4 демонстрирует результаты проверки эффективности схемы при напряжении 220 В во всем спектре частот. Очевидно, что потери на GaAs силовом диоде мало зависят от температуры по сравнению с кремниевыми диодами, особенно это проявляется на высоких частотах.

Рис. 4. Зависимость кпд тестовой схемы от рабочей частоты
Рис. 4. Зависимость кпд тестовой схемы от рабочей частоты

Рисунок 5 показывает потери, нормированные по отношению к величине потерь в обычном кремниевом диоде. На частоте 110 кГц преимущество GaAs силового диода составляет около 15%, а с увеличением частоты выигрыш доходит до 25%.

Рис. 5

Силовой диод, изготовленный по технологии SiCa, показывает схожие результаты, но во всем диапазоне производимых измерений он не превосходит по характеристикам силовой диод GaAs. Результат может быть объяснен при анализе общих потерь в схеме: силовой диод GaAs нагревается сильнее, нежели SiCa из-за более высоких потерь проводимости, но температура MOSFET силового транзистора в схеме с силовым диодом SiCa оказывается выше за счет более высокой емкости этого диода и, соответственно, более высоких токов разряда емкости при запирании силового транзистора. Величина потерь на силовом диоде и силовом транзисторе была просуммирована, и результирующая характеристика эффективности оказалась схожей для обоих вариантов.

Тем не менее, с увеличением температуры происходит уменьшение прямых потерь в силовом диоде GaAs и их увеличение в SiCa диоде. С увеличением же частоты потери на нейтрализацию собственной емкости GaAs диода возрастали медленнее чем для SiCa.

Безусловно, реальная схема корректора коэффициента мощности всегда оптимизируется для конкретного приложения. При разработке реального изделия должны учитываться особенности компоновки элементов, обусловленные размерами модуля, должны быть выбраны именно те компоненты, которые наиболее подходят для данного применения и обеспечивают необходимую эффективность.

Очевидно, что в будущем обе технологии — GaAs и SiCa — найдут свое применение в модулях ККМ, а полученное с их помощью увеличение удельной мощности позволит окупить более высокую стоимость GaAs и SiCA элементов.

В зависимости от области применения должны быть выбраны наиболее значимые преимущества той или иной технологии. Например для напряжений до 600 В предпочтительнее GaAs силовые диоды, а при более высоких напряжениях явное преимущество имеют SiCa. В рассмотренном примере наилучшие результаты достигаются при использовании диодов GaAs, которые позволяют получить большую эффективность при меньшей цене.

 

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_02_6.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо