Utiliser des diodes SiC MPS pour minimiser les pertes dans les alimentations à découpage haute fréquence

Les circuits de commutation haute fréquence, tels que ceux destinés à la correction du facteur de puissance (PFC) utilisant le mode de conduction continue (CCM), nécessitent des diodes présentant de faibles pertes de commutation. Pour les diodes au silicium (Si) conventionnelles en mode CCM, ces pertes de commutation résultent du courant de recouvrement inverse de la diode dû à la charge stockée dans la jonction de la diode pendant la coupure. La minimisation de ces pertes requiert généralement une diode Si avec un courant direct moyen plus élevé, ce qui se traduit par des dimensions physiques plus importantes et des coûts plus élevés.

Une diode en carbure de silicium (SiC) constitue un meilleur choix dans un circuit PFC CCM car son courant de recouvrement inverse est uniquement capacitif par nature. L'injection réduite de porteurs minoritaires dans un dispositif SiC signifie que la perte de commutation d'une diode SiC est proche de zéro. En outre, les diodes SiC MPS (Merged PIN Schottky) réduisent la chute de tension directe du dispositif, de manière similaire à une diode SiC Schottky classique. Les pertes par conduction sont ainsi davantage réduites.

Cet article aborde brièvement le défi de la commutation à faibles pertes dans les circuits PFC CCM. Il présente ensuite un exemple de dispositif MPS de Vishay General Semiconductor – Diodes Division et montre comment il peut être appliqué pour minimiser les pertes.

Exigences de commutation à faibles pertes

Les alimentations à découpage CA/CC avec des puissances nominales supérieures à 300 watts (W) utilisent généralement la correction du facteur de puissance pour aider à respecter les normes internationales telles que CEI61000-4-3, qui spécifient la puissance réactive et les niveaux d'harmoniques de ligne. Les diodes utilisées dans les alimentations PFC, en particulier dans les alimentations à découpage fonctionnant à haute fréquence, doivent être capables de supporter la puissance nominale de l'alimentation et les pertes associées aux actions de conduction et de commutation du circuit. Les dispositifs Si présentent des pertes de recouvrement inverse notables. Lorsqu'une diode Si passe d'un état conducteur à un état non conducteur, elle reste conductrice pendant que les porteurs chargés sont retirés de la jonction. Il en résulte un flux de courant important pendant toute la durée du temps de recouvrement inverse de la diode, qui devient la perte au blocage de la diode Si.

Le recouvrement inverse des diodes SiC Schottky est limité à la décharge capacitive, qui se produit plus rapidement, éliminant ainsi efficacement les pertes au blocage. Les diodes SiC ont une chute de tension directe plus élevée, ce qui peut contribuer aux pertes par conduction, mais la chute peut être contrôlée. Les diodes SiC présentent également l'avantage de pouvoir supporter une plage de températures plus élevée et une commutation plus rapide. La plage de températures plus élevée permet une plus grande densité de puissance, et donc des boîtiers plus petits. La commutation plus rapide est due à la structure Schottky et au temps de recouvrement inverse plus court du SiC. Le fonctionnement à des fréquences de commutation plus élevées se traduit par des valeurs d'inductance et de condensateur plus faibles pour améliorer le rendement volumétrique dans l'alimentation.

La diode SiC MPS

Les diodes SiC MPS combinent les fonctionnalités utiles des diodes Schottky et PIN. Cette structure permet d'obtenir une diode avec une commutation rapide, une faible chute de tension à l'état passant, une faible fuite à l'état bloqué et de bonnes caractéristiques à haute température.

Une diode utilisant une jonction Schottky pure offre la tension directe la plus faible possible, mais est sujette à des problèmes à forts courants, tels que les courants de pointe dans certaines applications PFC. Les diodes MPS améliorent les performances de courant de pointe en implantant des surfaces dopées P sous la zone de dérive métallique de la structure Schottky (Figure 1). Cela forme un contact P-ohmique avec le métal à l'anode de la diode Schottky et une jonction P-N avec la couche épitaxiale ou de dérive SiC légèrement dopée.

Figure 1 : Comparaison des structures des diodes SiC Schottky (à gauche) et MPS (à droite). (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

En conditions normales, la structure Schottky de la diode MPS conduit presque tout le courant et la diode se comporte comme une diode Schottky, avec les caractéristiques de commutation qui en découlent.

En cas de fort courant de pointe transitoire, la tension dans la diode MPS augmente au-delà de la tension de seuil de la diode P-N intégrée, qui commence à conduire, abaissant la résistance locale. Cela détourne le courant dans les régions de jonction P-N, limitant la dissipation de puissance et réduisant la contrainte thermique dans la diode MPS. Cette augmentation de la conductivité de la zone de dérive à fort courant maintient la tension directe à une faible valeur.

Les performances de courant de pointe des dispositifs SiC proviennent de la nature unipolaire du dispositif et de sa résistance de couche de dérive relativement élevée. La structure MPS améliore également ce paramètre de performance, et le placement géométrique, la taille et la concentration de dopage de la zone dopée P affectent les caractéristiques finales. La chute de tension directe est un compromis entre les valeurs nominales de courant de fuite et de courant de pointe.

Sous polarisation inverse, les régions dopées P forcent la zone globale d'intensité de champ maximum vers le bas et loin de la barrière métallique avec ses imperfections et dans la couche de dérive presque sans défaut, réduisant ainsi le courant de fuite global. Cela permet à un dispositif MPS de fonctionner à une tension de claquage plus élevée avec le même courant de fuite et la même épaisseur de couche de dérive.

La structure MPS de Vishay utilise une technologie à couche mince, où le recuit laser est utilisé pour amincir l'arrière de la structure de la diode, ce qui réduit la chute de tension directe de 0,3 volt (V) par rapport aux solutions précédentes. De plus, la chute de tension directe des diodes est pratiquement indépendante de la température (Figure 2).

Figure 2 : Une comparaison des chutes de tension directe entre une diode Schottky pure (lignes pointillées) et une structure de diode MPS (lignes continues) montre que la diode MPS maintient une chute de tension directe plus constante avec l'augmentation du courant direct. (Source de l'image : Vishay Semiconductors)

Ce graphique montre la tension directe des deux types de diodes en fonction du courant direct avec la température comme paramètre. Les chutes de tension directe pour les diodes Schottky pures augmentent de manière exponentielle pour les courants supérieurs à 45 ampères (A). La diode MPS maintient une chute de tension directe plus constante lorsque le courant direct augmente. Notez que la tension directe diminue avec l'augmentation de la température pour des niveaux de courant direct plus élevés dans la diode MPS.

Exemples de diodes MPS

Les diodes SiC MPS avancées de Vishay sont répertoriées pour une tension inverse de crête de 1200 V avec des courants nominaux directs de 5 A à 40 A. Par exemple, le VS-3C05ET12T-M3 (Figure 3) est une diode à montage traversant en boîtier TO-220-2, répertoriée pour un courant direct de 5 A, avec une tension directe de 1,5 V à son courant nominal maximum. Le courant de fuite inverse de la diode est de 30 microampères (mA) et sa température de jonction de fonctionnement maximum est de +175°C.

Figure 3 : La diode SiC MPS VS-3C05ET12T-M3 est fournie en boîtier traversant et elle est répertoriée pour un courant direct de 5 A, avec une tension directe de 1,5 V à son courant nominal maximum. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Cette famille de diodes constitue le meilleur choix pour les applications à commutation dure et haute vitesse, et elle fournit un fonctionnement efficace sur une large plage de températures.

Applications des diodes SiC MPS

Les diodes MPS sont généralement appliquées dans une grande variété de circuits d'alimentation à découpage, tels que les convertisseurs CC/CC, y compris ceux utilisant des topologies à déphasage en pont complet (FBPS) et inductance-inductance-condensateur (LLC), typiques des applications photovoltaïques. Les alimentations CA/CC utilisant des circuits PFC sont une autre application courante.

Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente, et mesure le rendement avec lequel la puissance entrante est utilisée dans les équipements électriques. Un facteur de puissance de 1 est idéal. Un facteur de puissance inférieur signifie que la puissance apparente est supérieure à la puissance active, ce qui entraîne une augmentation du courant requis pour commander une charge spécifique. Des courants de crête élevés dans des charges avec de faibles facteurs de puissance peuvent également provoquer des harmoniques sur la ligne électrique. Les fournisseurs d'électricité spécifient généralement la plage admissible du facteur de puissance de l'utilisateur. Les alimentations CA/CC peuvent être conçues avec la correction du facteur de puissance incluse (Figure 4).

Figure 4 : Exemple d'un étage PFC actif typique implémenté dans une alimentation CA/CC avec un convertisseur élévateur. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Dans la Figure 4, le pont redresseur B1 convertit l'entrée CA en CC. Le MOSFET Q1 est un commutateur électronique qui est activé et désactivé par un circuit intégré PFC (non illustré). Lorsque le MOSFET est activé, le courant traversant l'inductance augmente de manière linéaire. À ce point, la diode SiC est polarisée en inverse par la tension sur le condensateur de sortie (C_OUT), et la faible fuite inverse de la diode SiC minimise les pertes de fuite. Lorsque le MOSFET est désactivé, l'inductance fournit un courant linéairement décroissant vers C_OUT via la diode de redressement de sortie polarisée en sens direct.

Dans un circuit PFC CCM, le courant d'inductance ne tombe pas à zéro pendant tout le cycle de commutation. Les circuits PFC CCM sont fréquents dans les alimentations qui fournissent plusieurs centaines de watts ou plus. Le commutateur MOSFET est modulé en largeur d'impulsion (PWM) par le circuit intégré PFC de sorte que l'impédance d'entrée du circuit d'alimentation apparaît purement résistive (un facteur de puissance de 1) et que le rapport entre le courant de crête et le courant moyen, le facteur de crête, reste faible (Figure 5).

Figure 5 : Courants instantanés et moyens dans un circuit élévateur PFC CCM. (Source de l'image : Vishay Semiconductor)

Contrairement aux modes de fonctionnement à courant discontinu et critique où le courant d'inductance atteint zéro et la diode commute dans un état non polarisé, le courant d'inductance dans un circuit CCM ne tombe jamais à zéro de sorte que lorsque le commutateur change d'état, il y a un courant d'inductance non nul. Lorsque la diode passe dans un état inverse, le recouvrement inverse contribue de manière significative aux pertes. L'utilisation d'une diode SiC MPS élimine ces pertes. La diminution des pertes de commutation grâce à l'utilisation d'une diode SiC MPS présente l'avantage de réduire la taille de la puce et le coût de la diode et du commutateur actif.

Conclusion

Par rapport au Si, les diodes Schottky SiC MPS de Vishay offrent des courants nominaux directs plus élevés, des chutes de tension directe plus faibles et des pertes de recouvrement inverse réduites, et ce dans un boîtier plus petit avec des températures nominales plus élevées. Elles conviennent donc bien à une utilisation dans les conceptions d'alimentation à découpage.