Utiliser des redresseurs SiGe pour un fonctionnement CA/CC haut rendement dans les applications hautes températures

Jusqu'à récemment, les ingénieurs étaient confrontés à deux options classiques pour les redresseurs à diodes au cœur de leurs alimentations CA/CC à commutation rapide : les redresseurs Schottky ou les redresseurs à recouvrement rapide. Les redresseurs Schottky offrent une commutation à faible perte et une bonne efficacité, mais ils sont sujets à l'emballement thermique dans les conceptions exposées à des températures élevées, comme les phares LED ou les calculateurs (ECU) automobiles. Les diodes à recouvrement rapide sont plus stables à hautes températures mais elles sont moins efficaces.

Les redresseurs au silicium-germanium (SiGe) constituent une nouvelle troisième option et éliminent bon nombre des inconvénients des autres types en combinant les meilleures caractéristiques des redresseurs Schottky à celles des dispositifs à recouvrement rapide. En particulier, les redresseurs SiGe présentent une haute stabilité thermique, ce qui en fait une bonne option pour les applications à température élevée.

Cet article aborde brièvement les principes de base des redresseurs et les défis associés, y compris une comparaison entre les redresseurs Schottky classiques et les redresseurs à recouvrement rapide. Il montre ensuite comment une architecture de redresseur SiGe combine les avantages des deux. En s'appuyant sur des exemples de dispositifs de Nexperia, l'article présente les caractéristiques clés des redresseurs SiGe et montre comment ces dispositifs SiGe peuvent être utilisés pour résoudre les problèmes associés aux applications CA/CC à commutation rapide et haute température.

Principes de base des redresseurs

Les redresseurs sont des circuits essentiels pour les alimentations, et ils sont utilisées pour convertir une tension d'entrée CA en tension CC pouvant être ensuite utilisée pour alimenter les composants électroniques. Bien qu'il existe de nombreuses topologies (par exemple, redresseurs à une alternance et à deux alternances), les composants clés des redresseurs sont une ou plusieurs diodes.

La forme la plus simple d'une diode est une jonction p-n en silicium (Si) dopé. Lorsque la diode est à polarisation directe (avec la borne positive de la source d'alimentation connectée au côté type p du composant et la borne négative au côté type n) avec une tension suffisante pour surmonter le « potentiel de barrière » inhérent de la diode ou la chute de tension directe (qui est d'environ 0,7 volt (V) pour une diode Si), un courant direct (I_F) important circule. I_F augmente ensuite proportionnellement à l'augmentation de la tension (V_F) de l'alimentation. Au-dessus du potentiel de barrière, le gradient de la courbe V_F par rapport à I_F est largement déterminé par la résistance volumique de la diode, mais il est généralement très prononcé, comme illustré pour le BAS21H de Nexperia (Figure 1) Pour cette raison, la diode est souvent connectée en série avec une résistance pour protéger le dispositif contre les surintensités.

Figure 1 : Caractéristique V_F par rapport à I_F pour la diode de commutation BAS21H de Nexperia. Notez comment la conduction commence à environ 0,7 V pour cette diode Si de type p/n. (Source de l'image : Nexperia)

Lorsque la tension est inversée (V_R), un faible courant de fuite inverse (I_R) correspondant se produit. À basse température de fonctionnement, le courant I_R est insignifiant, mais comme il dépend de la température, il peut devenir un problème majeur à haute température de fonctionnement. Lorsque la tension V_R est élevée, la diode passe en mode avalanche et un courant important circule, souvent suffisant pour endommager définitivement le composant. Ce seuil de tension inverse est connu sous le nom de tension de claquage (V_br). Dans leurs fiches techniques, les fabricants recommandent généralement une tension inverse de crête de travail (V_rmax) inférieure à V_br pour permettre une marge de sécurité (Figure 2).

Figure 2 : Les paramètres clés sont représentés pour la courbe V-I d'une diode de type p/n, y compris la tension directe (V_F), le courant inverse (I_R) et la tension de claquage (V_br). (Source de l'image : Wikipédia)

Dans une application de commutation, après l'inversion de la polarisation inverse, la charge de la diode est encore suffisante pour permettre un flux de courant important dans le sens inverse. Ce temps de recouvrement inverse (t_rr) est un paramètre de conception important, en particulier pour les applications haute fréquence. L'utilisation de dopants supplémentaires tels que l'or ou le platine dans les semi-conducteurs de type p et de type n formant la jonction de la diode permet de raccourcir considérablement le temps t_rr. Les diodes dites à recouvrement rapide utilisant ces matériaux présentent un t_rr de quelques dizaines de nanosecondes (ns). La contrepartie de cette performance de commutation rapide est une tension V_F supérieure ; celle-ci peut typiquement passer de 0,7 V à 0,9 V avec une diminution subséquente de l'efficacité. Cependant, le courant I_R d'une diode à recouvrement rapide reste similaire à celui d'une diode Si de type p/n classique.

Dans une application pratique, les caractéristiques de la diode permettent à un courant important de circuler dans une seule direction, bloquant la moitié négative de l'onde CA sinusoïdale, et redressant efficacement la source de tension en une alimentation CC.

Défis de conception thermique

Dans les applications de conversion CA/CC, les ingénieurs recherchent généralement les composants les plus efficaces pour réduire la dissipation de puissance et limiter les problèmes thermiques.

V_F est le facteur le plus significatif pour déterminer l'efficacité d'une diode. Les diodes Schottky représentent une amélioration par rapport aux diodes standard grâce au remplacement de la jonction Si de type p et type n par une alternative Si métallique/type n. En conséquence, la chute de tension directe est réduite à une valeur comprise entre 0,15 V et 0,45 V (selon le choix du métal de barrière). Un avantage supplémentaire de la diode Schottky est son temps t_rr très rapide (de l'ordre de 100 picosecondes (ps)). Grâce à ces caractéristiques, les redresseurs Schottky constituent un choix populaire dans les applications telles que les alimentations à découpage haute fréquence.

Cependant, le redresseur Schottky présente d'importants inconvénients. Par exemple, il se caractérise par une tension V_rmax relativement faible par rapport aux diodes Si de type p/n. Deuxièmement, et ce qui est plus critique, les redresseurs Schottky ont un courant I_R relativement élevé, qui peut atteindre des centaines de microampères (µA) par rapport à des centaines de nanoampères (nA) pour les diodes Si de type p/n dans des applications comparables. Pire encore, le courant I_R augmente de façon exponentielle avec la température de jonction (T_j) (Figure 3).

Figure 3 : Caractéristique V_R par rapport à I_R pour la diode Schottky à usage général 1PS7xSB70 de Nexperia. Le courant I_R est typiquement beaucoup plus élevé que pour une diode Si de type p/n équivalente, et il augmente de manière exponentielle avec la température. (Source de l'image : Nexperia)

La stabilité thermique d'un redresseur à diodes est déterminée par l'équilibre délicat entre l'auto-échauffement généré par le courant I_R et la capacité du redresseur à dissiper la chaleur à travers la résistance thermique du système (Figure 4). Si le redresseur est en équilibre thermique, la température T_j (avec une température ambiante (T_amb) fixe comme « masse » thermique) peut être décrite comme suit :

Où :

R_th(j-a) = La résistance thermique entre la température ambiante et la température de jonction de la diode

P_dissipated = La puissance dissipée dans le dispositif

Figure 4 : Illustration des résistances thermiques présentées à une diode opérationnelle. (Source de l'image : Nexperia)

En fonctionnement, si la puissance générée par l'auto-échauffement est inférieure à la puissance dissipée, la température T_j du dispositif converge vers une condition stable (Figure 5). Cependant, si l'auto-échauffement est supérieur à ce qui peut être dissipé, T_j augmente jusqu'à ce que le dispositif devienne thermiquement instable. La situation tourne rapidement à l'emballement thermique, car I_R augmente exponentiellement avec la température, déclenchant ainsi une boucle de rétroaction positive.

Figure 5 : L'état de fonctionnement stable d'une diode d'exemple est déterminé par l'équilibre entre : la capacité du système thermique à dissiper la chaleur à travers la résistance thermique (ligne bleue (1)), et l'auto-échauffement du redresseur causé par son propre courant de fuite inverse (I_R) (et les pertes de commutation) (ligne rouge (2)). Notez que l'auto-échauffement augmente de façon exponentielle à mesure que la température du système s'élève, ce qui entraîne un emballement thermique. (Source de l'image : Nexperia)

Le concepteur court un risque élevé de constater un emballement thermique si une diode Schottky utilisée dans une application est exposée à des températures ambiantes élevées, à moins que son fonctionnement ne soit considérablement détaré pour des températures supérieures à 145°C. Pour cette raison, les ingénieurs ont tendance à éviter les diodes Schottky dans les applications telles que les circuits d'attaque LED à commutation rapide ou les calculateurs automobiles sous le capot. Jusqu'à présent, le seul choix de l'ingénieur était la diode à recouvrement rapide — qui présente un faible courant I_R et qui est donc beaucoup moins sujette à l'emballement thermique — avec l'efficacité inférieure qui en résulte.

L'alternative du redresseur SiGe

Le choix restreint en matière de diodes à recouvrement rapide pour les conceptions à haute tension V_rmax et/ou haute température a été étendu grâce à l'émergence de la technologie de diode SiGe qui combine les avantages des diodes Schottky et des diodes à recouvrement rapide dans un seul dispositif. Ces redresseurs remplacent la jonction Si à barrière métallique/type n de la diode Schottky par une jonction Si basée SiGe/type n (Figure 6).

Figure 6 : Le redresseur SiGe remplace la barrière métallique Schottky par du SiGe. Il en résulte une bande interdite plus petite, une mobilité des électrons plus grande et une densité de porteurs de charge intrinsèque plus élevée. (Source de l'image : Nexperia)

Le SiGe, comme son nom l'indique, est un alliage de silicium et de germanium ; les avantages clés du semi-conducteur sont une bande interdite plus petite (la bande interdite étant la différence d'énergie en électronvolts (eV) entre la bande de valence et la bande de conduction du semi-conducteur), la capacité à commuter à plus hautes fréquences, une mobilité des électrons plus grande et une densité de porteurs de charge intrinsèque plus élevée que le silicium. La bande interdite plus faible du SiGe réduit la tension V_F de la jonction SiGe Si/type n à environ 0,75 V, soit environ 150 millivolts (mV) de moins qu'une diode à recouvrement rapide.

Dans la pratique, une tension V_F inférieure réduit les pertes par conduction de la diode d'environ 20 % par rapport à une diode à recouvrement rapide. Bien que l'efficacité des composants dépende de multiples facteurs, notamment du rapport cyclique de l'application, un ingénieur peut raisonnablement s'attendre à une amélioration de 5 % à 10 % dans des applications comparables. De plus, la diode SiGe présente un courant I_R inférieur à celui d'une diode Schottky (Figure 7).

Figure 7 : Les redresseurs SiGe présentent un courant I_R inférieur à celui des dispositifs Schottky (pour un fonctionnement supérieur à hautes températures) et une tension V_F inférieure à celle des redresseurs à recouvrement rapide (pour une meilleure efficacité). (Source de l'image : Nexperia)

Grâce à la densité de charge intrinsèque élevée et à la mobilité des électrons/trous, la diode SiGe se caractérise par un faible t_rr, ce qui lui permet de commuter rapidement. Cette commutation rapide est également rendue possible par une capacité et une inductance parasites relativement faibles. De plus, comme la diode SiGe présente une charge de recouvrement inverse (Q_RR) et un courant de recouvrement inverse (I_RR) inférieurs à ceux d'un redresseur Schottky comparable, elle permet des pertes de commutation plus faibles. Cela est essentiel car, dans les applications à haute fréquence, ces pertes de commutation contribuent largement aux pertes globales. La combinaison d'un faible courant I_R et de faibles pertes de commutation élimine presque les problèmes d'emballement thermique.

Sélection et application des diodes SiGe

Si les transistors SiGe sont sur le marché depuis plusieurs années, les diodes SiGe sont plus récentes. Par exemple, les redresseurs SiGe PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX et PMEG120G30ELPJ de Nexperia font partie d'une gamme disponible en boîtiers CFP3 et CFP5 (Figure 8) thermiquement efficaces. Ces boîtiers sont devenus la norme industrielle pour les diodes de puissance.

Figure 8 : Le redresseur SiGe PMEG120G10ELRX est fourni en boîtier CFP5 permettant des gains d'espace tout en améliorant le transfert de chaleur. (Source de l'image : Nexperia)

Le clip en cuivre massif du boîtier minimise la résistance thermique pour améliorer le transfert de chaleur, ce qui permet aux concepteurs d'utiliser des circuits imprimés plus compacts. Le CFP3 réduit les exigences d'espace du redresseur de 38 %, tandis que le CFP5 permet d'économiser jusqu'à 56 %, par rapport aux boîtiers SMA et SMB.

Souvent, lorsqu'une nouvelle technologie est introduite, les concepteurs doivent penser aux variables d'implémentation. Dans le cas des diodes SiGe de Nexperia, le même boîtier est utilisé pour les diodes Schottky et les diodes à recouvrement rapide de la société, ce qui permet un remplacement immédiat pour les applications à hautes températures, notamment l'éclairage LED, les calculateurs automobiles, les alimentations de serveurs et les infrastructures de communications.

Les redresseurs SiGe offrent une tension V_rmax jusqu'à 120 V (des versions de 150 V et 200 V sont disponibles pour échantillonnage), bien au-delà de la limite de 100 V imposée par la plupart des diodes Schottky. De plus, les dispositifs ont été testés jusqu'à 200°C sans aucun détarage ou emballement thermique (Figure 9). Notez que la limite de température de fonctionnement des composants (aire de sécurité (SOA)) de 175°C n'est pas tant déterminée par la diode que par le boîtier du composant. La Figure 10 montre comment l'immunité à l'emballement thermique des diodes SiGe permet d'étendre l'aire de sécurité par rapport aux diodes Schottky.

Figure 9 : Les redresseurs SiGe de Nexperia ne souffrent pas de l'emballement thermique des redresseurs Schottky à hautes températures. (Source de l'image : Nexperia)

Figure 10 : L'immunité à l'emballement thermique permet d'étendre l'aire de sécurité des redresseurs SiGe par rapport aux redresseurs Schottky. (Source de l'image : Nexperia)

Les redresseurs SiGe de Nexperia offrent des capacités de courant I_F de 1, 2 et 3 ampères (A) avec un faible courant I_R de 0,2 nA (V_R = 120 V (pulsé), T_j = 25°C), augmentant à 10 µA à des températures élevées (V_R = 120 V (pulsé), T_j = 150°C). Comme les diodes Schottky, les redresseurs constituent un excellent choix pour les options de commutation rapide avec de faibles pertes de commutation et un temps t_rr de 6 ns. Les produits sont qualifiés AEC-Q101.

Conclusion

Les redresseurs Schottky sont une option éprouvée pour les convertisseurs CA/CC haut rendement et haute fréquence, mais leur courant I_R relativement élevé peut entraîner un emballement thermique néfaste dans les applications à hautes températures. Par conséquent, les concepteurs devaient auparavant recourir à des diodes à recouvrement rapide moins efficaces mais thermiquement stables pour leurs convertisseurs à découpage hautes températures.

Toutefois, comme illustré, la technologie SiGe éprouvée des transistors a été rendue commercialement disponible dans les diodes. Cette nouvelle classe de dispositifs combine l'efficacité et les caractéristiques de commutation rapide des diodes Schottky avec la stabilité thermique des diodes à recouvrement rapide. En tant que tels, ces dispositifs constituent une excellente solution pour les conceptions destinées aux environnements hautes températures tels que l'éclairage LED, les calculateurs automobiles, les alimentations de serveurs et les infrastructures de communications.