適合各種電源應用的碳化硅肖特基二極管

功率因數(shù)校正(PFC)市場主要受與降低諧波失真有關的全球性規(guī)定影響。歐洲的EN61000-3-2是交直流供電市場的基本規(guī)定之一，在英國、日本和中國也存在類似的標準。EN61000-3-2規(guī)定了所有功耗超過75W的離線設備的諧波標準。由于北美沒有管理PFC的規(guī)定，能源節(jié)省和空間/成本的考慮成為在消費類產(chǎn)品、計算機和通信領域中必須使用PFC的附加驅(qū)動因素。

主動PFC有兩種通用模式：使用三角形和梯形電流波形的不連續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式(CCM)。DCM模式一般用于輸出功率在75W到300W之間的應用；CCM模式用于輸出功率大于300W的應用。當輸出功率超過250W時，PFC具有成本效益，因為其它方面(比如效率)得到了補償性的提高，因此實際上不增加額外的成本。

主動PFC是服務器系統(tǒng)架構(SSI)一致性的要求：供電模塊應該采用帶主動功率因數(shù)校正的通用電源輸入，從而可以減少諧波，符合EN61000-3-2和JEIDA MITI標準。這就需要高功率密度應用能夠提供較寬的輸入電壓范圍(85~265V)，從而給PFC級電路使用的半導體提出了特殊的要求。

在輸入85V交流電壓時，必須有最低的Rdson，因為傳導熱損失與輸入電壓的3次方成反比關系。這種MOSFET管的高頻工作能夠顯著減少升壓抑制。因此晶體管的快速開關特性是必須的。升壓二極管應該具有快速開關、低Vf和低Qrr特性。為了減少MOSFET在接通時的峰值電流壓力，低Qrr是必須的。如果沒有這一特性，升壓MOSFET將增加溫度和Rdson，導致更多的功率損失，從而降低效率。在高功率密度應用中效率是取得較小體積(30W/cm3英寸)和減少無源器件尺寸的關鍵因素。因此高的開關頻率必不可少。

為了設計效率和外形尺寸最優(yōu)的CCM PFC，升壓二極管還必須具備以下一些特性：較短的反向恢復和正向恢復時間；最小的儲存電荷Q；低的漏電流和最低的開關損耗。過壓和浪涌電流能力非常重要，它們能夠用來處理PFC中由啟動和交流回落引起的浪涌和過電流。這些特性只有用碳化硅肖特基二極管(SiC肖特基二極管)才能實現(xiàn)。

由于SiC肖特基二極管中缺少正向和反向恢復電荷，因此可以用更小的升壓MOSFET。這樣做除了成本得到降低外，器件溫度也會降低，從而使SMPS具有更高的可靠性。

由于SiC肖特基二極管的開關行為獨立于正向電流(Iload)、開關速度(di/dt)和溫度，因此這種二極管在設計中很容易使用。在設計中采用SiC肖特基二極管能夠?qū)崿F(xiàn)最大的開關工作頻率(最高可達1MHz)，從而可以使用更小體積的無源器件。

最低的開關損耗和低的Vf能使用更小的散熱器或風扇。另外，由于具有正的溫度系數(shù)，SiC肖特基二極管能夠非常方便地并行放置。

thinQ!2G向理想的高電壓二極管邁進

新一代IFX SiC肖特基二極管(thinQ!2G)融合了普通SiC肖特基二極管和雙極pn結構，從而具有非常高的浪涌電流承受能力和穩(wěn)定的過壓特性。

圖1對SiC肖特基二極管結構與合并后的pn肖特基二極管概念進行比較。p區(qū)域針對發(fā)射極效率和電導率作了優(yōu)化，因此在正向電壓超過4V時能用作浪涌電流的旁路通道。

圖1：(a) 傳統(tǒng)SiC肖特基二極管的截面圖；(b) 具有合并p摻雜島的thinQ!2G SiC二極管

改進的浪涌電流能力

thinQ!2G提供改進的浪涌電流功能，允許針對應用中的平均電流條件進行設計，也就是說，大多數(shù)的啟動和AC回落引起的浪涌和過流能很好地獲得處理。圖2表明，在正常工作狀態(tài)，thinQ!2G的行為與具有零反向恢復電荷的普通肖特基二極管沒什么兩樣，在大電流狀態(tài)其正向特性如同雙極pn二極管一樣，能夠顯著減少功率損耗。

圖2：SiC肖特基二極管和thinQ!2G的浪涌電流比較

由于改進的浪涌電流能力使得在指定應用中采用更低標稱電流的二極管進行設計成為可能。到目前為止，二極管的浪涌電流額定值仍是重要的設計考慮因素。已經(jīng)具有良好浪涌電流標稱值的6A二極管IFSM=21A@10ms的thinQ!被極大地增強為IFSM 49A@10ms的thinQ!2G。

對實際應用(6A IFX第一代SiC肖特基二極管、PFC、寬范圍)進行的測試證實了這些改進：6A第一代SiC肖特基二極管足以用來處理啟動時的浪涌電流，結溫會升高到50℃。這種情況非常接近由于肖特基特性而引起的熱失控，如圖2所示。在通常情況下可以使用更小體積的二極管。

新的4A thinQ!2G能夠更好地處理同一應用中的啟動狀況。溫度只升高到35℃。由于是雙極特性，因此到達最高結溫時不會產(chǎn)生熱量失控。設計工作于正常情況的thinQ!2G具有足夠的余量來處理異常情況。

穩(wěn)定的過壓特性

除了改進的浪涌電流功能外，融合pn肖特基概念的thinQ!2G能夠承受實際的雪崩電流擊穿條件。這對目前市場上的任何其它SiC肖特基二極管來說都是不可能的。這是低電阻率和合并肖特基結構中p島的設計造成的，它能保證在肖特基接口處的電場到達破壞性值前開始雪崩(圖3)。

圖3：thinQ!2G穩(wěn)定的過壓特性

正溫度系數(shù)使thinQ!2G具有了穩(wěn)定的雪崩和過壓行為，并使直接與電力網(wǎng)連接的電信和服務網(wǎng)中的PFC級應用在瞬時脈沖和過壓狀態(tài)下具有更高的可靠性、抗擾性和魯棒性。

在PFC級中的瞬態(tài)變化期間，過壓可以被500~550V左右的大電容(對于常用的450V大電容)齊納擊穿。在這種應力條件下，thinQ!2G能夠遠離危險的過壓行為。這種改進的過壓和浪涌電流能力可以使二極管的壓力減小，使應用具有更高的可靠性。

SiC肖特基二極管——適合各種供電條件的解決方案

利用具有獨特性能的碳化硅作為器件材料，能制造出接近理想功能特性的升壓二極管，并適合PFC應用中的各種功率級別。SiC肖特基二極管具有的無反向恢復電荷、反向特性與開關速度、溫度和正向電流無關的特性均能減少PFC應用中的功率損耗。這對服務器和高端PC電源來說尤其重要，因為效率提高的要求變得越來越重要，特別是要滿足80plus等法規(guī)要求時。

圖4： 英飛凌的thinQ! 2G碳化硅肖特基二極管

thinQ!2G在這些重要性能的基礎上增加了獨特的過流和過壓能力。浪涌電流能力有助于設計穩(wěn)態(tài)工作時的額定電流值，由于可以采用更低額定電流值的二極管，因此具有成本優(yōu)勢。過壓特性在電信和無線基礎應用等苛刻環(huán)境中非常重要。在這些應用中，能夠克服過壓尖峰和異常線路狀態(tài)并由此提高可靠性的健壯能力是必須的。

通過使用能夠提供最低開關損耗的SiC二極管來提高效率在UPS和太陽能逆變器等系統(tǒng)中經(jīng)常會用到，在這些系統(tǒng)中每次損耗的減少都能直接帶來良好的回報。針對日益提高的效率目標，我們希望碳化硅二極管的應用能轉移到更低的功率級別：利用thinQ!2G可以滿足更多的需要更高環(huán)境溫度、更高器件溫度和更高可靠性的應用。