Verwenden Sie SiGe-Gleichrichter für hocheffizienten AC/DC-Betrieb in Anwendungen mit erhöhter Temperatur

Bis vor kurzem standen Ingenieure vor zwei konventionellen Optionen für die diodenbasierten Gleichrichter, die das Herzstück ihrer schnell schaltenden AC/DC-Netzteile bilden: Schottky-Gleichrichter oder Fast-Recovery-Gleichrichter. Schottky-Gleichrichter bieten verlustarmes Schalten und einen guten Wirkungsgrad, sind aber in Designs, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie z.B. LED-Scheinwerfer im Automobilbereich oder elektronische Steuergeräte (ECUs), anfällig für thermisches Durchgehen. Fast-Recovery-Dioden sind bei höheren Temperaturen stabiler, haben aber einen geringeren Wirkungsgrad.

Silizium-Germanium(SiGe)-Gleichrichter bieten eine neue, dritte Option und eliminieren viele der Nachteile der anderen Typen, indem sie die besten Eigenschaften von Schottky-Gleichrichtern mit denen von Komponenten mit schneller Wiederherstellung kombinieren. Insbesondere zeichnen sich SiGe-Gleichrichter durch eine hohe thermische Stabilität aus, was sie zu einer guten Option für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen macht.

In diesem Artikel werden kurz die Grundlagen von Gleichrichtern und die damit verbundenen Herausforderungen erörtert, einschließlich eines Vergleichs von konventionellen Schottky- und Fast-Recovery-Gleichrichtern. Anschließend wird gezeigt, wie eine SiGe-Gleichrichter-Architektur die Vorteile von beiden vereint. Anhand von Beispielen aus dem Hause Nexperia werden in diesem Artikel die wichtigsten Eigenschaften von SiGe-Gleichrichtern erläutert und gezeigt, wie SiGe-Bauelemente zur Lösung von Problemen bei schnell schaltenden AC/DC-Anwendungen bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können.

Die Grundlagen von Gleichrichtern

Gleichrichter sind wesentliche Schaltungen für Stromversorgungen, die dazu dienen, eine Eingangswechselspannung in eine Gleichspannungsversorgung umzuwandeln, die dann zur Versorgung elektronischer Bauteile verwendet werden kann. Obwohl es viele Topologien gibt (z. B. Halbwellen- und Vollwellengleichrichter), sind die Hauptkomponenten von Gleichrichtern eine oder mehrere Dioden.

Die einfachste Form einer Diode ist ein dotierter Silizium(Si)-p-n-Übergang. Wenn die Diode in Durchlassrichtung mit einer ausreichenden Spannung vorgespannt ist (wobei der positive Anschluss der Stromquelle mit der p-Seite des Bauelements und der negative mit der n-Seite verbunden ist), um das inhärente „Sperrpotenzial“ oder den Durchlassspannungsabfall der Diode zu überwinden (der bei einer Si-Diode etwa 0,7 Volt beträgt), fließt ein großer Durchlassstrom (I_F). I_F steigt dann proportional zur Spannung (V_F) aus der Versorgung an. Oberhalb des Sperrpotentials wird die Steigung von V_F vs. I_F weitgehend durch den Widerstand der Diode bestimmt, ist aber typischerweise sehr steil, wie für die BAS21H von Nexperia gezeigt (Abbildung 1) Aus diesem Grund wird die Diode zum Überstromschutz oft in Reihe mit einem Widerstand geschaltet.

Abbildung 1: V_F-I_F-Kennlinie für die Schaltdiode BAS21H von Nexperia. Beachten Sie, wie die Leitung bei dieser p/n-Si-Diode bei etwa 0,7 Volt beginnt. (Bildquelle: Nexperia)

Bei umgekehrter Spannung (V_R) tritt ein entsprechend geringer Rückwärtsleckstrom (I_R) auf. Bei niedrigen Betriebstemperaturen ist der I_R unbedeutend, aber da er temperaturabhängig ist, kann er bei hohen Betriebstemperaturen zu einem größeren Problem werden. Wenn V_R groß ist, geht die Diode in einen Avalanche-Modus über, und es fließt ein großer Strom, der oft ausreicht, um das Bauteil dauerhaft zu beschädigen. Diese Sperrspannungsschwelle wird als Durchbruchspannung (V_br) bezeichnet. In ihren Datenblättern geben die Hersteller typischerweise eine Arbeitsspitzensperrspannung (V_rmax) an, die kleiner als V_br ist, um eine Sicherheitsmarge zu berücksichtigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Für eine p/n-Diode sind die wichtigsten Parameter der V-I-Kurve dargestellt, darunter die Vorwärtsspannung (V_F), der Sperrstrom (I_R) und die Durchbruchspannung (V_br). (Bildquelle: Wikipedia)

In einer Schaltanwendung ist nach Umkehrung der Sperrvorspannung noch genügend Ladung auf der Diode vorhanden, um einen signifikanten Stromfluss in Sperrrichtung zu ermöglichen. Die sogenannte Sperrverzögerungszeit (t_rr) ist ein wichtiger Designparameter, insbesondere für Hochfrequenzanwendungen. Die Verwendung von zusätzlichen Dotierstoffen wie Gold oder Platin in den p- und n-Halbleitern, die den Diodenübergang bilden, verkürzt t_rr dramatisch. Sogenannte Fast-Recovery-Dioden, die diese Materialien verwenden, haben eine t_rr von einigen zehn Nanosekunden (ns). Der Kompromiss für diese schnelle Schaltleistung ist eine erhöhte V_F; diese kann typischerweise von 0,7 auf 0,9 Volt ansteigen, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führt. Der I_R einer Fast-Recovery-Diode bleibt jedoch ähnlich wie bei einer herkömmlichen p/n-Si-Diode.

In einer praktischen Anwendung lässt die Charakteristik der Diode einen großen Strom nur in eine Richtung fließen und blockiert die negative Hälfte der sinusförmigen Wechselstromwelle, wodurch die Spannungsquelle effektiv zu einer Gleichstromversorgung gleichgerichtet wird.

Thermische Designherausforderungen

Bei AC/DC-Wandlungsanwendungen suchen die Ingenieure im Allgemeinen nach den effizientesten Komponenten, um die Verlustleistung zu reduzieren und thermische Probleme zu begrenzen.

V_F ist der wichtigste Faktor bei der Bestimmung des Wirkungsgrads einer Diode. Schottky-Dioden stellen eine Verbesserung gegenüber Standarddioden dar, indem der p- und n-Übergang durch eine Metall/n-Alternative ersetzt wird. Dadurch reduziert sich der Durchlassspannungsabfall auf 0,15 bis 0,45 Volt (je nach Wahl des Sperrmetalls). Ein weiterer Vorteil der Schottky-Diode ist der sehr niedrige Wert für t_rr (in der Größenordnung von 100 Pikosekunden (ps)). Diese Eigenschaften machen den Schottky-Gleichrichter zu einer beliebten Wahl in Anwendungen wie Hochfrequenz-Schaltnetzteilen.

Der Schottky-Gleichrichter hat aber auch erhebliche Nachteile. So weist er z. B. eine relativ niedrige V_rmax im Vergleich zu p/n-Si-Dioden auf. Zweitens, und vielleicht noch kritischer, weisen Schottky-Gleichrichter einen relativ hohen I_R auf, der bis zu Hunderten von Mikroampere (µA) betragen kann, verglichen mit Hunderten von Nanoampere (nA) für p/n-Si-Dioden in vergleichbaren Anwendungen. Noch schlimmer ist, dass der I_R exponentiell mit der Sperrschichttemperatur (T_j) ansteigt (Abbildung 3).

Abbildung 3: V_R-I_R-Kennlinie für die Allzweck-Schottky-Diode 1PS7xSB70 von Nexperia. I_R ist typischerweise viel höher als bei einer äquivalenten p/n-Si-Diode und steigt exponentiell mit der Temperatur. (Bildquelle: Nexperia)

Die thermische Stabilität eines diodenbasierten Gleichrichters wird durch das empfindliche Gleichgewicht zwischen der durch I_R erzeugten Selbsterwärmung und der Fähigkeit des Gleichrichters, die Wärme über den thermischen Widerstand des Systems abzuführen, bestimmt (Abbildung 4). Wenn sich der Gleichrichter im thermischen Gleichgewicht befindet, kann T_j (mit einer festen Umgebungstemperatur (T_amb) als thermische „Masse“) beschrieben werden als:

Dabei gilt:

R_th(j-a) = Der thermische Widerstand zwischen dem Diodenübergang und der Umgebung

P_dissipated = Die in der Komponente verbrauchte Leistung

Abbildung 4: Dargestellt sind die thermischen Widerstände, die eine Diode im Betrieb sieht. (Bildquelle: Nexperia)

Im Betrieb, vorausgesetzt die durch Eigenerwärmung erzeugte Leistung ist geringer als die Verlustleistung, konvergiert die T_j der Komponente gegen einen stabilen Zustand (Abbildung 5). Wenn jedoch mehr Eigenerwärmung erzeugt wird, als abgeführt werden kann, steigt T_j, bis die Komponente schließlich thermisch instabil wird. Die Situation geht schnell in ein thermisches Durchgehen über, da der I_R mit der Temperatur exponentiell ansteigt und somit eine positive Rückkopplungsschleife auslöst.

Abbildung 5: Der stabile Betriebszustand einer Beispieldiode wird bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen: der Fähigkeit des thermischen Systems, die Wärme über den thermischen Widerstand abzuführen (blaue Linie (1)), und der Eigenerwärmung des Gleichrichters, die durch seinen eigenen Rückwärtsleckstrom (I_R) (und Schaltverluste) verursacht wird (rote Linie (2)). Beachten Sie, wie die Eigenerwärmung mit steigender Systemtemperatur exponentiell zunimmt, was zu einem thermischen Durchgehen führt. (Bildquelle: Nexperia)

Der Entwickler geht ein hohes Risiko des thermischen Durchgehens ein, wenn eine Schottky-Diode in einer Anwendung hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, es sei denn, ihr Betrieb ist für Temperaturen über 145 °C deutlich Leistungsbegrenzt. Aus diesem Grund neigen Ingenieure dazu, die Schottky-Diode in Anwendungen wie schnell schaltenden LED-Treibern oder elektronischen Steuergeräten unter der Motorhaube zu meiden. Bis jetzt blieb dem Ingenieur nur die Fast-Recovery-Diode, die einen niedrigen I_R aufweist und daher viel weniger anfällig für thermisches Durchgehen ist, mit dem daraus resultierenden geringeren Wirkungsgrad.

Die SiGe-Gleichrichteralternative

Die enge Auswahl an Fast-Recovery-Dioden für Designs mit hoher Temperatur und/oder hoher V_rmax wurde durch das Aufkommen der SiGe-Diodentechnologie erweitert, die die Vorteile von Schottky- und Fast-Recovery-Dioden in einem einzigen Bauelement vereint. Diese Gleichrichter ersetzen den Metall/n-Übergang der Schottky-Diode durch einen auf SiGe/n-Übergang (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der SiGe-Gleichrichter ersetzt die Schottky-Metallbarriere durch SiGe. Das Ergebnis ist eine kleinere Bandlücke, eine größere Elektronenbeweglichkeit und eine höhere intrinsische Ladungsträgerdichte. (Bildquelle: Nexperia)

SiGe ist, wie der Name schon sagt, eine Legierung aus Silizium und Germanium; die wichtigsten Vorteile des Halbleiters sind eine kleinere Bandlücke (wobei die Bandlücke der Energieunterschied in Elektronenvolt (eV) zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des Halbleiters ist), die Fähigkeit, bei höheren Frequenzen zu schalten, eine größere Elektronenbeweglichkeit und eine höhere intrinsische Ladungsträgerdichte als Silizium. Die niedrigere Bandlücke von SiGe senkt die V_F des Si/n-SiGe-Übergangs auf etwa 0,75 Volt, etwa 150 Millivolt (mV) niedriger als bei einer Fast-Recovery-Diode.

In der Praxis reduziert die niedrigere V_F die Leitungsverluste der Diode um etwa 20 Prozent im Vergleich zu einer Fast-Recovery-Diode. Obwohl der Wirkungsgrad der Komponenten von mehreren Faktoren abhängt, einschließlich des Tastverhältnisses der Anwendung, kann ein Ingenieur eine Verbesserung von 5 bis 10 Prozent bei vergleichbaren Anwendungen erwarten. Außerdem hat die SiGe-Diode einen niedrigeren I_R als eine Schottky-Diode (Abbildung 7).

Abbildung 7: SiGe-Gleichrichter haben einen niedrigeren I_R als Schottky-Bauelemente (für besseren Hochtemperaturbetrieb) und einen niedrigeren V_F-Wert als Fast-Recovery-Gleichrichter (für höheren Wirkungsgrad). (Bildquelle: Nexperia)

Aufgrund der hohen intrinsischen Ladungsdichte und Elektronen-/Loch-Mobilität der SiGe-Diode weist sie eine niedrigere t_rr auf, so dass sie schnell schalten kann. Dieses schnelle Schalten wird auch durch relativ geringe parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten ermöglicht. Da die SiGe-Diode zudem eine geringere Sperrschichtladung (Q_RR) und einen geringeren Sperrschichtstrom (I_RR) als ein vergleichbarer Schottky-Gleichrichter aufweist, verfügt sie über geringere Schaltverluste. Dies ist kritisch, da diese Schaltverluste bei Hochfrequenzanwendungen einen großen Anteil an den Gesamtverlusten haben. Die Kombination aus niedrigem I_R und geringen Schaltverlusten eliminiert nahezu die Herausforderungen des thermischen Durchgehens.

Auswahl und Anwendung von SiGe-Dioden

Während SiGe-Transistoren schon seit einigen Jahren auf dem Markt sind, sind SiGe-Dioden eine neuere Erscheinung. Die SiGe-Gleichrichter PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX und PMEG120G30ELPJ von Nexperia gehören beispielsweise zu einer Familie, die in thermisch effizienten CFP3- (Clip-bonded FlatPower) und CFP5-Gehäusen erhältlich sind (Abbildung 8). Dieses Gehäuse hat sich zum Industriestandard für Leistungsdioden entwickelt.

Abbildung 8: Der SiGe-Gleichrichter PMEG120G10ELRX wird in einem CFP5-Gehäuse geliefert, das Platz spart und gleichzeitig die Wärmeabfuhr verbessert. (Bildquelle: Nexperia)

Der massive Kupferclip des Gehäuses minimiert den Wärmewiderstand, um den Wärmeübergang zu verbessern, und ermöglicht so den Entwicklern, kompaktere Leiterplattendesigns zu verwenden. Das CFP3 reduziert den Platzbedarf des Gleichrichters um 38 Prozent, während das CFP5 im Vergleich zu SMA- und SMB-Gehäusen bis zu 56 Prozent einspart.

Wenn eine neue Technologie eingeführt wird, müssen sich die Entwickler oft Gedanken über Implementierungsvariablen machen. Im Fall der SiGe-Dioden von Nexperia wird das gleiche Gehäuse auch für die Schottky- und Fast-Recovery-Dioden des Unternehmens verwendet, was einen Drop-in-Ersatz für Hochtemperaturanwendungen wie LED-Beleuchtung, Kfz-Steuergeräte, Server-Stromversorgungen und Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht.

Die SiGe-Gleichrichter bieten eine V_rmax von bis zu 120 Volt (150- und 200-Volt-Versionen sind als Muster erhältlich), weit über der 100-Volt-Grenze der meisten Schottky-Dioden. Außerdem wurden die Geräte bis zu 200 °C getestet, ohne dass es zu einem thermischen Durchgehen oder einer Leistungsminderung kam (Abbildung 9). Beachten Sie, dass die Betriebstemperaturgrenze der Bauteile (sicherer Betriebsbereich (SOA)) von 175 °C nicht so sehr durch die Diode, sondern durch das Bauteilgehäuse bestimmt wird. Abbildung 10 zeigt, wie die thermische Durchschlagsfestigkeit der SiGe-Dioden im Vergleich zu Schottky-Dioden einen größeren sicheren Betriebsbereich ermöglicht.

Abbildung 9: SiGe-Gleichrichter von Nexperia leiden nicht unter dem thermischen Durchgehen von Schottky-Gleichrichtern bei hohen Temperaturen. (Bildquelle: Nexperia)

Abbildung 10: Die thermische Durchschlagsfestigkeit ermöglicht im Vergleich zu Schottky-Gleichrichtern einen erweiterten sicheren Betriebsbereich für SiGe-Gleichrichter. (Bildquelle: Nexperia)

Die SiGe-Gleichrichter von Nexperia bieten I_F-Werte von 1, 2 und 3 Ampere (A) mit einem niedrigen I_R von 0,2 nA (V_R = 120 Volt (gepulst), T_j = 25 °C), der bei erhöhten Temperaturen auf 10 µA ansteigt (V_R = 120 Volt (gepulst), T_j = 150 °C). Wie Schottky-Dioden sind die Gleichrichter eine gute Wahl für schnelle Schaltoptionen mit geringen Schaltverlusten und einer t_rr von 6 ns. Die Produkte sind nach AEC-Q101 qualifiziert.

Fazit

Schottky-Gleichrichter sind eine bewährte Option für effiziente, hochfrequente AC/DC-Wandler, aber ihr relativ hoher I_R kann in Hochtemperaturanwendungen zu schädlichem thermischen Durchgehen führen. Infolgedessen mussten die Entwickler auf weniger effiziente, aber thermisch stabile Fast-Recovery-Dioden für ihre Hochtemperatur-Schaltwandler zurückgreifen.

Wie gezeigt, wurde jedoch die bewährte SiGe-Technologie aus Transistoren in Dioden kommerziell verfügbar gemacht. Diese neue Klasse von Bauelementen kombiniert die Effizienz und das schnelle Schaltverhalten von Schottkys mit der thermischen Stabilität von Fast-Recovery-Dioden. Damit sind sie eine gute Lösung für Designs, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt werden, wie z. B. LED-Beleuchtung, Kfz-Steuergeräte, Server-Netzteile und Kommunikationsinfrastruktur.