Utilizzate i diodi SiC MPS per ridurre al minimo le perdite negli alimentatori a commutazione ad alta frequenza

I circuiti a commutazione ad alta frequenza, come quelli per la correzione del fattore di potenza (PFC) che utilizzano la modalità di conduzione continua (CCM), richiedono diodi a basse perdite di commutazione. Per i diodi al silicio (Si) convenzionali in modalità CCM, le perdite di commutazione provengono dalla corrente di recupero inverso del diodo dovuta alla carica immagazzinata nella giunzione del diodo durante lo spegnimento. La riduzione al minimo di queste perdite richiede in genere un diodo Si con una maggiore corrente media diretta, che comporta dimensioni fisiche maggiori e costi più elevati.

Un diodo al carburo di silicio (SiC) è una scelta migliore in un circuito PFC CCM perché la sua corrente di recupero inverso è solo di natura capacitiva. La minore iniezione di portatori minoritari in un dispositivo SiC significa che la perdita di commutazione di un diodo SiC è prossima allo zero. Inoltre, i diodi SiC Merged PIN Schottky (MPS) riducono la caduta di tensione diretta del dispositivo, in maniera simile a un diodo SiC Schottky convenzionale. Ciò riduce ulteriormente le perdite di conduzione.

Questo articolo illustra brevemente la sfida della commutazione a basse perdite nei circuiti PFC CCM. Presenta quindi un esempio di dispositivo MPS di Vishay General Semiconductor - Diodes Division e mostra come utilizzarlo per ridurre al minimo le perdite.

Requisiti di commutazione a basse perdite

Gli alimentatori a commutazione c.a./c.c. con potenza nominale superiore a 300 W utilizzano in genere il PFC per soddisfare gli standard internazionali, come la norma IEC61000-4-3, che specificano i livelli di potenza reattiva e di armoniche di linea. I diodi utilizzati in un alimentatore PFC, soprattutto negli alimentatori a commutazione ad alta frequenza, devono essere in grado di gestire la potenza nominale dell'alimentatore e le relative perdite associate alle azioni di conduzione e commutazione del circuito. I dispositivi Si hanno notevoli perdite di recupero inverso. Quando un diodo Si passa da uno stato di conduzione a uno di non conduzione, rimane in conduzione mentre i portatori di carica vengono rimossi dalla giunzione. Ciò comporta un elevato flusso di corrente per la durata del tempo di recupero inverso del diodo, che diventa la perdita allo spegnimento del diodo Si.

Il recupero inverso dei diodi Schottky SiC è limitato alla scarica capacitiva, che avviene più rapidamente, eliminando di fatto la perdita allo spegnimento. I diodi SiC hanno una caduta di tensione diretta più elevata, che può contribuire alle perdite di conduzione, ma che può essere controllata. I diodi SiC hanno anche il vantaggio di poter gestire un intervallo di temperatura più elevato e una commutazione più rapida. L'intervallo di temperatura più elevato consente una maggiore densità di potenza e dà modo di realizzare contenitori più piccoli. La commutazione più rapida è dovuta alla struttura Schottky e al più breve tempo di recupero inverso del SiC. Il funzionamento a frequenze di commutazione più elevate consente di ridurre i valori di induttori e condensatori per migliorare l'efficienza volumetrica dell'alimentatore.

Il diodo SiC MPS

Il diodo SiC MPS combina le utili caratteristiche dei diodi Schottky e PIN. La struttura risulta in un diodo con commutazione rapida, bassa caduta di tensione nello stato Off, basse perdite nello stato Off e buone caratteristiche alle alte temperature.

Un diodo che utilizza una giunzione Schottky pura offre la tensione diretta più bassa possibile, ma è soggetto a problemi in presenza di correnti elevate, come le correnti di picco di alcune applicazioni PFC. I diodi MPS migliorano le prestazioni della corrente di picco impiantando aree drogate con P sotto la zona di deriva metallica della struttura Schottky (Figura 1). In questo modo si forma un contatto P-ohmico con il metallo all'anodo del diodo Schottky e una giunzione P-N con la deriva SiC leggermente drogata o con lo strato epi-layer.

Figura 1: Confronto tra le strutture dei diodi SiC Schottky (a sinistra) e MPS (a destra). (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

In condizioni normali, la struttura Schottky del diodo MPS conduce quasi tutta la corrente e il diodo si comporta come un diodo Schottky, con le relative caratteristiche di commutazione.

In caso di elevata sovracorrente transitoria, la tensione attraverso il diodo MPS aumenta oltre la tensione di soglia del diodo P-N integrato, che inizia a condurre, abbassando la resistenza locale. Ciò devia la corrente attraverso le regioni della giunzione P-N, limitando la dissipazione di potenza e riducendo la sollecitazione termica del diodo MPS. L'aumento della conducibilità della zona di deriva a una corrente elevata mantiene la tensione diretta a un valore basso.

Le prestazioni dei dispositivi SiC in termini di corrente di picco derivano dalla natura unipolare del dispositivo e dalla resistenza relativamente elevata dello strato di deriva. La struttura MPS migliora anche questo parametro di prestazione e il posizionamento geometrico, le dimensioni e la concentrazione di drogaggio dell'area drogata con P influenzano le caratteristiche finali. La caduta di tensione diretta è un compromesso tra i valori nominali della corrente di dispersione e di sovracorrenti transitorie.

In condizioni di polarizzazione inversa, le regioni drogate con P spingono l'area complessiva di massima intensità di campo verso il basso, allontanandola dalla barriera metallica con le sue imperfezioni e portandola nello strato di deriva quasi privo di difetti, riducendo così la corrente di dispersione complessiva. Ciò consente a un dispositivo MPS di funzionare con una tensione di rottura più elevata a parità di corrente di dispersione e di spessore dello strato di deriva.

La struttura MPS di Vishay utilizza la tecnologia a film sottile, in cui la ricottura laser assottiglia la parte posteriore della struttura del diodo, riducendo la caduta di tensione diretta di 0,3 V rispetto alle soluzioni precedenti. Inoltre, le cadute di tensione diretta dei diodi sono quasi indipendenti dalla temperatura (Figura 2).

Figura 2: Confronto delle cadute di tensione diretta tra il diodo Schottky puro (linee tratteggiate) e la struttura del diodo MPS (linee solide) mostra che il diodo MPS mantiene una caduta di tensione diretta più regolare con l'aumento della corrente diretta. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Questo grafico mostra la tensione diretta di entrambi i tipi di diodi in funzione della corrente diretta, con la temperatura come parametro. Le cadute di tensione diretta dei diodi Schottky puri aumentano esponenzialmente per correnti superiori a 45 A. Il diodo MPS mantiene una caduta di tensione diretta più costante all'aumentare della corrente diretta. Si noti che la tensione diretta diminuisce all'aumentare della temperatura per livelli di corrente diretta più elevati nel diodo MPS.

Esempi di diodi MPS

I diodi SiC MPS avanzati di Vishay sono classificati per 1200 V di picco inversi con correnti nominali dirette da 5 a 40 A. Ad esempio, il modello VS-3C05ET12T-M3 (Figura 3) è un diodo a foro passante in contenitore TO-220-2 classificato per una corrente diretta di 5 A, con una tensione diretta di 1,5 V alla massima corrente nominale. La corrente di dispersione inversa del diodo è di 30 mA e la sua temperatura massima di funzionamento della giunzione è di +175 °C.

Figura 3: Il diodo SiC MPS VS-3C05ET12T-M3 è disponibile in un contenitore a foro passante ed è classificato per una corrente diretta di 5 A, con una tensione diretta di 1,5 V alla massima corrente nominale. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Questa famiglia di diodi è la scelta migliore per le applicazioni ad alta velocità e a commutazione rapida e garantisce un funzionamento efficiente in un ampio intervallo di temperatura.

Applicazioni dei diodi SiC MPS

I diodi MPS sono utilizzati in un'ampia varietà di circuiti di potenza a commutazione, come i convertitori c.c./c.c., compresi quelli che utilizzano le topologie FBPS (ponte intero a variazione di fase) e LLC (induttore-induttore-condensatore), tipiche nelle applicazioni fotovoltaiche. Un'altra applicazione comune è quella degli alimentatori c.a./c.c. che utilizzano circuiti PFC.

Il fattore di potenza è il rapporto tra potenza attiva e apparente e misura l'efficienza con cui l'energia in ingresso viene utilizzata nelle apparecchiature elettriche. Un fattore di potenza pari a uno è l'ideale. Un fattore di potenza inferiore significa che la potenza apparente è maggiore della potenza attiva, il che provoca un aumento della corrente necessaria per pilotare un determinato carico. Correnti di picco elevate in carichi con fattori di potenza bassi possono anche causare armoniche sulla linea elettrica. I produttori generalmente indicano l'intervallo consentito per il fattore di potenza dell'utente. Gli alimentatori c.a./c.c. possono essere progettati con PFC incluso (Figura 4).

Figura 4: Un esempio di un tipico stadio PFC attivo implementato in un alimentatore c.a./c.c. con un convertitore boost. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

Nella Figura 4, il raddrizzatore a ponte B1 converte l'ingresso c.a. in c.c. Il Q1 MOSFET è un interruttore elettronico che viene acceso e spento da un CI PFC (non in figura). Mentre il MOSFET è acceso, la corrente attraverso l'induttore aumenta linearmente. A questo punto, la polarizzazione del diodo SiC viene invertita dalla tensione sul condensatore di uscita (C_OUT) e la bassa perdita inversa del diodo SiC riduce al minimo la perdita di dispersione. Quando il MOSFET è spento, l'induttore eroga una corrente linearmente decrescente a C_OUT attraverso il diodo raddrizzatore di uscita con polarizzazione diretta.

In un circuito PFC CCM, la corrente dell'induttore non scende a zero durante l'intero ciclo di commutazione. I PFC CCM sono comuni negli alimentatori che forniscono diverse centinaia o più di watt. Il CI PFC modula la larghezza di impulso (PWM) dell'interruttore MOSFET in modo che l'impedenza di ingresso del circuito di alimentazione appaia puramente resistiva (fattore di potenza pari a uno) e il rapporto tra corrente di picco e corrente media, il fattore di cresta, sia mantenuto basso (Figura 5).

Figura 5: Le correnti istantanea e media in un circuito boost PFC CCM. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor)

A differenza delle modalità di funzionamento a corrente discontinua e critica, in cui la corrente dell'induttore raggiunge lo zero e il diodo commuta a uno stato non polarizzato, la corrente dell'induttore in un circuito CCM non scende mai a zero, per cui quando l'interruttore cambia stato, la corrente residua dell'induttore non è zero. Quando il diodo passa allo stato inverso, il recupero inverso contribuisce in modo significativo alle perdite. L'utilizzo di un diodo SiC MPS elimina queste perdite. La riduzione della perdita di commutazione dovuta all'utilizzo del diodo SiC MPS offre il vantaggio di ridurre le dimensioni e il costo del chip, sia per il diodo sia per l'interruttore attivo.

Conclusione

Rispetto al Si, i diodi Schottky SiC MPS di Vishay offrono correnti nominali dirette più elevate, cadute di tensione diretta più basse e perdite di recupero inverso ridotte, il tutto in un contenitore più piccolo con temperature nominali più elevate. Per questo sono adatti all'impiego in progetti di alimentazione a commutazione.