Силовые диоды компании Microsemi

Введение

Производство импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) является одной из основных сфер назначения компонентов силовой электроники. В настоящее время для заказа доступно достаточно много стандартных моделей ИВЭП от отечественных и зарубежных производителей. При этом рынок маломощных источников (1–50 Вт) и источников средней мощности (50–500 Вт) перенасыщен, а их проектирование не вызывает особых сложностей, т. к. типовые проблемы разработки довольно полно описаны в статьях и книгах [1]. В то же время выбор мощных, в первую очередь заказных источников питания (от 500 Вт до 3–5 кВт и выше) существенно меньше, хотя они достаточно широко востребованы уже сегодня, и, по прогнозам специалистов, потребность в них будет только расти. Это связано с определенными сложностями, с которыми приходится сталкиваться при их разработке, и с соблюдением особых требований, касающихся особенностей структуры и схемотехнических решений.

Проектирование современных мощных ИВЭП идет по пути повышения энергоэффективности, основные тенденции последних лет в данной области включают в себя увеличение удельной мощности используемых силовых полупроводниковых элементов с одновременным уменьшением их массо-габаритных показателей, снижение тепловой нагрузки и обеспечение минимальных потерь. Как известно, существенный вклад в потери мощности в импульсных источниках электропитания вносит эффект обратного восстановления мощных высоковольтных диодов. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку, активных корректоров коэффициента мощности (ККМ), антипараллельных диодов мощных MOSFET и IGBT, выпрямителей с выходным напряжением более 100 В и частотой выше 100 кГц. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радиопомех, что требует применения экранов, увеличивающих массу и габариты устройства [2].

Традиционно используемые кремниевые диоды представляют собой проверенное десятилетиями эксплуатации решение. Они отличаются высокими значениями обратного напряжения (более 1 кВ) и способны коммутировать токи в сотни ампер, технология их изготовления хорошо отлажена, а многие производители предлагают свои варианты устройств в различном корпусном исполнении. Но, вместе с тем, у них есть и существенные недостатки, обусловленные предельными свойствами самого материала. Например, допустимое рабочее напряжение мощного кремниевого (Si) диода зависит от толщины кристалла. Чтобы создать диод, способный работать без пробоя с напряжениями до 1200 В, потребуется общая толщина слоя кремния в 120 мкм. Массивная полупровод­никовая структура вызывает не только увеличение стоимости и габаритов изделия, но и неизбежно приводит к повышению потерь мощности. Снизить их пытаются за счет внедрения областей различной формы, увеличивающих число неосновных носителей. В результате при выключении диода требуется дополнительное время на рассасывание этих носителей, типовое время обратного восстановления обычно находится в диапазоне 25–100 мкс. Все это ухудшает быстродействие высоковольтных Si-диодов и ограничивает их использование в цепях с рабочей частотой выше 1 кГц.

В связи с этим во многих применениях на смену им пришли Si-диоды Шоттки, диоды с быстрым восстановлением (Ultra-Fast Recovery Diodes FRED), а также диоды, выполненные на основе карбида кремния (SiC). Каждая из этих трех групп, отличающихся уровнями рабочих напряжений и имеющих свои достоинства и недостатки, обладает общей чертой — малым временем обратного восстановления, не превышающим десятков наносекунд. Компания Microsemi предлагают свою линейку силовых диодов, включающую высококачественные компоненты данных типов.

Силовые диоды Microsemi

В настоящее время компанией выпускаются Si-диоды Шоттки, четыре серии Si-диодов с быстрым восстановлением (DL, D, DQ и DS), а также семейство диодов на основе SiC. Они ориентированы на решения, работающие в широком диапазоне напряжений, и удовлетворяют самым жестким требованиям, предъявляемым к мощным высоковольтным устройствам [3]. Их основные отличительные особенности представлены в таблице 1.

Силовые Si-диоды данных серий отличаются высокой скоростью переключения и мягким восстановлением, обеспечивающим минимизацию потерь при коммутации. Выпускаются одиночные и сдвоенные диоды на напряжения от 200 до 1200 В и токи от 15 до 150 А, их основные рабочие характеристики показаны в таблице 2 [4].

* — «x» в наименовании меняется на «K» при использовании корпуса TO-220, B — TO-247 и S — D3PAK;

** — «x» в наименовании меняется на «0» при антипараллельной конфигурации диодов и на «1» при параллельной (кроме диодов Шоттки).

Сдвоенные устройства содержат два диода в одном корпусе, либо независимых (параллельных или антипараллельных), либо объединенных в различных конфигурациях (последовательно соединенные, с общим катодом, с общим анодом, с полумостовой схемой включения). Первые из них доступны в четырехвыводном корпусе SOT-227 (ISOTOP), вторые, как правило, изготавливаются в стандартных трехвыводных TO-247, TO-220, TO-264 и D3PAK (рис. 1). Исключением являются устройства серии DS, в которых два последовательно соединенных диода не имеют вывода средней точки. Диоды в сборке имеют практически идентичные технические параметры и одинаковый рабочий температурный режим, что является одним из главных факторов увеличения надежности устройства в целом.

Рис. 1. Корпусное исполнение силовых диодов Microsemi

Весьма существенной особенностью многих диодов Microsemi является нормирование параметров лавинного пробоя (допустимой энергии и начального тока) для различных условий. Это позволяет использовать диоды с меньшим допустимым обратным напряжением, получая выигрыш либо в виде снижения потерь (за счет меньших V_F), либо уменьшения стоимости примерно на 20–25%.

Si-диоды Шоттки

Как известно, в отличие от обычных диодов, диоды Шоттки изготавливаются не на основе классического p-n-перехода, а путем использования перехода металл–полупроводник, также называемого барьером Шоттки. Этот барьер обладает рядом положительных свойств, к которым относятся пониженное падение напряжения при прямом включении и очень маленький заряд обратного восстановления, повышающий быстродействие устройств. Последнее связано с тем, что в структуре диодов Шоттки практически отсутствуют неосновные носители заряда, существенно влияющие на их инерционность. Низкое время восстановления позволяет применять их на рабочих частотах от сотен килогерц и выше, например для выпрямления ВЧ-напряжения. Стоит отметить, что весьма малое прямое падение напряжения (0,2–0,4 В) характерно только для диодов Шоттки с обратным напряжением не более 50–60 В, силовые приборы данного типа, рассчитанные обычно на предельные напряжения до 200 В, имеют сопоставимое с Si-диодом значение параметра. Среди недостатков диодов Шоттки также можно выделить крайнюю чувствительность к кратко­временному превышению уровня допустимого обратного напряжения, в результате которого они могут выйти из строя, и повышенный обратный ток, значительно увеличивающийся с ростом температуры кристалла.

Si-диоды Шоттки производства Microsemi обозначаются литерой S в наименовании компонента. В силовой линейке компании представлены 11 моделей с величиной прямого тока до 100 А и максимальным напряжением 200 В. Все они обладают низким напряжением V_F (0,8–0,89 В), малый разброс его значений упрощает параллельное соединение диодов. Одиночные APT30S20xG, APT60S20xG и APT100S20BG с временем восстановления от 25 до 40 нс и емкостью перехода от 150 до 470 пФ (при V_R = 200 В) выполнены в корпусах TO-247 и D3PAK, предназначенных для эксплуатации в диапазоне рабочих температур –55…+150 °С. При этом максимальный обратный ток утечки составляет 0,5 мА при комнатной температуре и номинальном обратном напряжении и 15 мА при повышении рабочей температуры до +125 °С. Сдвоенные диоды APT2X31S20J, APT2X61S20J и APT2X101S20 доступны в корпусе SOT-227, имеющем габариты 38×25×12 мм и вес не более 29 г, низкое тепловое сопротивление переход–корпус (0,33 °С/Вт), а также гальваническую изоляцию между выводами и основанием — 2500 В постоянного тока. Три модели с общим катодом APT30S20BCTG, APT60S20B2CTG и APT100S20LCTG, каждая из которых объединяет по два диода с рабочим током 30, 60 и 100 А соответственно, рекомендуются для использования в импульсных источниках питания, инверторах, драйверах двигателей, преобразователях напряжения, быстродействующих выпрямителях. Наличие мощных диодов в стандартных широко распространенных корпусах позволяет упростить и удешевить конструкцию устройств с их применением. Емкость перехода имеет ярко выраженную зависимость от обратного напряжения, ее значение, доступное в документации, указывается для предельного V_R (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость емкости перехода от обратного напряжения для диода APT100S20LCTG

Диоды с быстрым восстановлением

Появление ультрабыстрых диодов данного типа было обусловлено потребностью в компонентах с рабочими напряжениями 1 кВ и выше, обладающих минимально возможным временем обратного восстановления. Технология производства FRED основана на использовании легирования кремния методом диффузии золота или платины. Так, высококачественные диоды компании Microsemi, полученные при помощи запатентованного процесса легирования платиной, имеют величину допустимого напряжения в закрытом состоянии до 1200 В, а по своим свойствам обратного восстановления могут легко соперничать с диодами Шоттки. Максимальная рабочая температура перехода, предусмотренная технологией, составляет +175 °C.

На рис. 3 показана типовая кривая обратного восстановления ультрабыстрого диода и схема для ее получения. В момент открывания ключевого транзистора VT1 начинается уменьшение тока диода I_F, затем он пересекает нулевой уровень, меняет знак и достигает значения I_RRM, называемого в технической документации пиковым током обратного восстановления. Суммарное время обратного восстановления t_RR складывается из длительностей спада и роста тока обратного восстановления.

Рис. 3. Типовая схема тестирования диодов (слева) и характеристика обратного восстановления (справа)

В технической документации также приводится величина заряда обратного восстановления Q_RR, полезная при расчете тепловых потерь, возникающих в процессе обратного восстановления диода.

В настоящее время компанией Microsemi выпускаются четыре семейства диодов с различной скоростью переключения, позволяющих разработчикам оптимизировать потери мощности в конкретных применениях. Серия DL включает в себя всего четыре диода, характеризующихся низким значением прямого напряжения (не более 1,25 В), предельным обратным напряжением 600 В и ультрамягким восстановлением. Она позиционируется для выпрямительных и резонансных схем. Стоит отметить сдвоенные диоды APT2X150DL60J и APT2X151DL60J в корпусе SOT-227, образованные двумя одиночными диодами с максимальным среди всех FRED-приборов прямым током (150 А). Диоды серии D, предназначенные для применения в импульсных источниках питания со средними частотами переключения, рассчитаны на рабочие напряжения 200, 300, 400, 600, 1000 и 1200 В. Серия представлена наиболее широко, состоит из 61 диода (одиночных и сдвоенных) во всех возможных конфигурациях. В нее входят компоненты, у которых диапазон по среднему прямому току составляет от 15 до 100 А, а время обратного восстановления — от 21 до 47 нс (при токе 1 А и температуре перехода +25 °С). Характерной чертой устройств серии D являются низкие значения токов утечки, слабо зависящие от температуры. Например, у диода APT2X60D120J данный показатель не превышает 250 мкА при номинальном напряжении и температуре перехода +25 °С и увеличивается до 500 мкА при T_J = +125 °С. Компоненты серии DQ с обратными напряжениями 600, 1000 и 1200 В и широким диапазоном номинальных мощностей также имеют низкий заряд обратного восстановления. Использование этих диодов позволяет уменьшить динамические потери и электромагнитные наводки в мощных импульсных преобразователях с высокой частотой коммутации. Большая часть из 45 различных моделей, входящих в серию, изготавливается в типовых корпусах TO-247, TO-220 и TO-264, предназначенных для сквозного монтажа. Быстродействующие диоды самой малочисленной серии DS, состоящей из двух компонентов, рекомендуются для применения в высококачественных ККМ, где время обратного восстановления должно быть минимальным. Сдвоенные диоды APT15DS60BG и APT30DS60BG обладают временем восстановления всего 13 и 17 нс и емкостью перехода 24 и 43 пФ соответственно.

Возможные сферы применения FRED Microsemi:

• антипараллельные диоды для ВЧ коммутирующих устройств;
• быстродействующие диоды в схемах управления двигателями и электроприводами;
• выпрямители в импульсных преобразователях напряжения;
• индуктивные нагреватели;
• ультразвуковые очистители и сварочные аппараты;
• AC/DC-, DC/DC-источники питания, инверторы;
• ККМ.

Главным минусом кремниевых FRED является сильная зависимость характеристики обратного восстановления от температуры и скорости прямого тока. Для ограничения токов обратного восстановления разработчикам часто приходится использовать демпфирующие цепочки (активные или пассивные), что приводит к усложнению и удорожанию схемы. Внедрение диодов Шоттки на основе SiC позволяет устранить эти недостатки.

SiC-диоды Шоттки

По сравнению с аналогичными кремниевыми приборами электронные компоненты на основе SiC обладают рядом преимуществ, определяемых свойствами материала изготовления (табл. 3).

Основные преимущества SiC в сравнении с Si:

1. Большая ширина запрещенной зоны (примерно в три раза) обеспечивает работу при повышенных температурах и отличную устойчивость к воздействию радиации, гарантируя тем самым долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации. Применение устройств из данного материала весьма перспективно при разработке оборудования военного и космического назначения. Также благодаря этому свойству практически отсутствуют токи утечки (менее 70 мкА при температуре кристалла +200 °С), снижающие термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
2. Критическая напряженность электрического поля, на порядок превышающая соответствующий показатель у Si, в сочетании с довольно высокой подвижностью электронов позволяет значительно улучшить все основные электрические характеристики приборов силовой электроники (уровни рабочих напряжений, мощность и т. д.).
3. Высокая теплопроводность (на уровне меди) упрощает проблему отвода тепла, снижая тепловое сопротивление кристалла по сравнению с Si почти в два раза.
4. Высокая плотность мощности при очень малых размерах кристалла позволяет радикально уменьшить габариты и массу преобразовательного оборудования на базе SiC, а также увеличить эффективность работы, особенно на малых нагрузках и высоких частотах переключения.

Главное достоинство SiC-диодов Шоттки заключается в их исключительных динамических параметрах, основная причина которых — незначительный заряд обратного восстановления (десятки нанокулонов). Для наглядности на рис. 4 показаны характеристики выключения SiC-диода Шоттки и Si-FRED при разных температурах эксплуатации. Форма тока, протекающего через SiC-диод Шоттки, имеет характер переходного процесса, амплитуда которого не зависит от температуры, отсутствие токов восстановления обеспечивает практически чистый фронт сигнала. Результатом этого является уменьшение прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники и возможность работы с частотами более 500 кГц. Более того, сокращаются помехи, создаваемые работой преобразователя на основе SiC-диодов, что опять-таки позволяет упростить фильтры электромагнитных помех и сократить их размеры.

Рис. 4. Зависимость тока обратного восстановления от типа полупроводника и температуры эксплуатации

Компания Microsemi производит достаточно широкую номенклатуру силовых SiC-диодов Шоттки с диапазоном рабочих токов 2–30 А и максимальными обратными напряжениями 600 и 1200 В. Предназначенные преимущественно для устройств средней (1–10 кВт) и большой мощности (10 кВт–1 МВт), SiC-приборы стабильно функционируют в диапазоне температур –65…+175 °С. Конструктивно выпускаются в герметичных малогабаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа, в настоящее время доступны одиночные диоды либо их пары в трех конфигурациях. В таблице 4 приведены их основные характеристики.

Вся линейка выгодно отличается высокой скоростью переключения, не зависящей от температуры эксплуатации, малой емкостью перехода (десятки пикофарад) и низким тепловым сопротивлением переход–корпус, не превышающим для ряда моделей 0,7 °С/Вт. Также стоит отметить малый ток утечки, полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC. Например, у диода MSC010SDA120K его величина составляет всего 3 мкА при температуре +25 °С (50 мкА при +175 °С). Прямое падение напряжения имеет положительный температурный коэффициент, что значительно упрощает параллельное соединение диодов, так как в этом случае не требуются дополнительные меры по выравниванию токов. На рис. 5 показана типовая зависимость прямого падения напряжения диода MSC020SDA120B от тока при различных температурах.

Рис. 5. Прямая ВАХ диода MSC020SDA120B

Основные сферы применения включают в себя:

• импульсные источники питания;
• умножители напряжения;
• мощные инверторы;
• преобразователи для солнечных батарей;
• активные высоковольтные ККМ;
• приводы электродвигателей;
• другое силовое оборудование.

Применение данных диодов особенно целесообразно и экономически выгодно при работе на повышенных частотах и напряжениях. Благодаря уникальным свойствам SiC-диодов они могут работать на частотах более 500 кГц, обеспечивая эффективность устройств порядка 92%.

Например, в ККМ простая замена бустерного кремниевого FRED на SiC-диод (VD6 на рис. 6) обеспечивает снижение тепловой нагрузки почти вдвое. Практически такой же результат получается при использовании схемы с мягким переключением, но при этом количество элементов повышается в три раза, что увеличивает габариты, снижает надежность и, соответственно, выигрыш от повышения частоты преобразования. В итоге стоимость решения на базе SiC-диода оказывается значительно ниже.

Рис. 6. Упрощенная схема ККМ

На рис. 7 изображен типовой пример применения SiC-диодов Шоттки Microsemi в качестве антипараллельных диодов мощных IGBT и MOSFET и модулей. Такой подход позволяет кардинально сократить потери обратного восстановления, вносящие существенный вклад в рассеиваемую мощность.

Рис. 7. Пример применения SiC-диодов совместно с мощными IGBT-транзисторами

Заключение

Линейка высоковольтных диодов компании Microsemi с обратными напряжениями до 1200 В и рабочими токами до 150 А в различном корпусном исполнении соответствует современным требованиям рынка силовой электроники, а во многих случаях и превосходит их. Быстродействующие устройства с минимальным временем обратного восстановления, изготавливаемые на основе как Si, так и SiC, находят применение в силовом оборудовании широкого спектра назначения.