Utilizzare i raddrizzatori SiGe per il funzionamento c.a./c.c. ad alta efficienza in applicazioni a temperature elevate

Fino a poco tempo fa, gli ingegneri si trovavano di fronte a due opzioni convenzionali per i raddrizzatori a diodi per i loro alimentatori c.a./c.c. a commutazione rapida: raddrizzatori Schottky o raddrizzatori a recupero rapido. I raddrizzatori Schottky offrono una commutazione a bassa perdita e una buona efficienza, ma sono soggetti alla fuga termica nei progetti soggetti a temperature elevate, come i fari a LED automotive o le unità di controllo elettronico (ECU). I diodi a recupero rapido sono più stabili alle alte temperature, ma sono meno efficienti.

I raddrizzatori al germanio di silicio (SiGe) sono una nuova terza opzione ed eliminano molti dei compromessi degli altri tipi combinando le migliori caratteristiche dei raddrizzatori Schottky a quelle dei dispositivi a recupero rapido. In particolare, i raddrizzatori SiGe sono caratterizzati da un'elevata stabilità termica, che li rende una buona opzione per applicazioni a temperature elevate.

Questo articolo discuterà brevemente le basi del raddrizzatore e le sfide associate, compreso un confronto tra i raddrizzatori convenzionali Schottky e quelli a recupero rapido. Mostrerà poi come un'architettura di raddrizzatore SiGe combina i vantaggi di entrambi. Utilizzando dispositivi di esempio di Nexperia, l'articolo delineerà poi le caratteristiche chiave dei raddrizzatori SiGe e come i dispositivi SiGe possono essere applicati per risolvere i problemi associati alle applicazioni c.a./c.c. ad alta temperatura e a commutazione rapida.

Principi base dei raddrizzatori

I raddrizzatori sono circuiti essenziali per gli alimentatori utilizzati per convertire una tensione di ingresso c.a. in una tensione di alimentazione c.c. che può poi essere utilizzata per alimentare i componenti elettronici. Anche se ci sono molte topologie (per esempio, raddrizzatori a semionda e a onda piena), i componenti chiave dei raddrizzatori sono uno o più diodi.

La forma più semplice di diodo è una giunzione p-n al silicio (Si) drogato. Quando il diodo è a polarizzazione diretta (con il terminale positivo della fonte di alimentazione collegato al lato di tipo p del componente e il negativo al lato di tipo n) con una tensione sufficiente a superare il "potenziale di barriera" intrinseco del diodo o la caduta di tensione diretta (pari a circa 0,7 V per un diodo al Si), scorre una grande corrente diretta (I_F). La corrente I_F sale quindi in proporzione all'aumento della tensione (V_F) dall'alimentazione. Sopra il potenziale di barriera, il gradiente della curva V_F / I_F è in gran parte determinato dalla resistenza di massa del diodo, ma è tipicamente molto ripida, come mostrato per il dispositivo BAS21H di Nexperia (Figura 1) Per questo motivo, il diodo è spesso collegato in serie con un resistore per la protezione da sovracorrente del dispositivo.

Figura 1: Caratteristica V_F / I_F del diodo di commutazione BAS21H di Nexperia. Si noti come la conduzione inizia a circa 0,7 V per questo diodo Si di tipo p/n. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Quando la tensione è invertita (V_R), si verifica una corrispondente bassa corrente di dispersione inversa (I_R). A basse temperature di funzionamento, I_R è insignificante, ma poiché dipende dalla temperatura, alle alte temperature può diventare un problema. Quando V_R è grande, il diodo entra in una modalità a valanga e la grande corrente che scorre è spesso sufficiente a danneggiare permanentemente il componente. Questa soglia di tensione inversa è nota come tensione di rottura (V_br). Nelle loro schede tecniche, i produttori tipicamente consigliano una tensione inversa di picco di lavoro (V_rmax) inferiore a V_br per consentire un margine di sicurezza (Figura 2).

Figura 2: I parametri chiave mostrati si riferiscono a una curva V-I di un diodo di tipo p/n, compresa la tensione diretta (V_F), la corrente inversa (I_R) e la tensione di rottura (V_br). (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

In un'applicazione di commutazione, una volta che la polarizzazione inversa è invertita, c'è ancora una carica sufficiente sul diodo per consentire un flusso di corrente significativo nella direzione inversa. Questo cosiddetto tempo di recupero inverso (t_rr) è un importante parametro di progettazione, soprattutto per le applicazioni ad alta frequenza. L'uso di droganti aggiuntivi come l'oro o il platino nei semiconduttori di tipo p e n che formano la giunzione del diodo accorcia drasticamente il t_rr. I cosiddetti diodi a recupero rapido che utilizzano questi materiali hanno un t_rr di poche decine di nanosecondi. Il compromesso per questa prestazione di commutazione veloce è un aumento della V_F, che tipicamente può aumentare da 0,7 a 0,9 V con una conseguente diminuzione dell'efficienza. Tuttavia, la I_R di un diodo a recupero rapido rimane simile a quella di un diodo Si convenzionale di tipo p/n.

In un'applicazione pratica, le caratteristiche del diodo permettono a una grande corrente di fluire in una sola direzione, bloccando la metà negativa dell'onda c.a. sinusoidale, raddrizzando efficacemente la sorgente di tensione in un'alimentazione c.c.

Sfide di progettazione termica

Nelle applicazioni di conversione c.a./c.c., gli ingegneri generalmente cercano i componenti più efficienti per ridurre la dissipazione di potenza e limitare i problemi termici.

La V_F è il fattore più significativo nel determinare l'efficienza di un diodo. I diodi Schottky rappresentano un miglioramento dei diodi standard attraverso la sostituzione della giunzione Si di tipo p e n con un'alternativa Si di tipo metallo/n. Di conseguenza, la caduta di tensione diretta è ridotta tra 0,15 e 0,45 V (a seconda della scelta del metallo di barriera). Un ulteriore vantaggio del diodo Schottky è un t_rr molto veloce (dell'ordine di 100 picosecondi). Queste caratteristiche rendono lo Schottky una scelta popolare come raddrizzatore in applicazioni come gli alimentatori a commutazione ad alta frequenza.

Ma ci sono degli svantaggi significativi nel raddrizzatore Schottky. Per esempio, è caratterizzato da una V_rmax relativamente bassa rispetto ai diodi Si di tipo p/n. In secondo luogo, e forse più criticamente, i raddrizzatori Schottky hanno una I_R relativamente alta, che può essere anche di centinaia di microampere rispetto alle centinaia di nanoampere dei diodi Si di tipo p/n in applicazioni comparabili. Peggio ancora, la I_R sale esponenzialmente con la temperatura di giunzione (T_j) (Figura 3).

Figura 3: Caratteristica V_R / I_R del diodo Schottky 1PS7xSB70 di Nexperia per uso generale. La I_R è tipicamente molto più alta che per un equivalente diodo Si di tipo p/n e aumenta esponenzialmente con la temperatura. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

La stabilità termica di un raddrizzatore a diodi è determinata dal delicato equilibrio tra l'autoriscaldamento generato da I_R e la capacità del raddrizzatore di dissipare il calore attraverso la resistenza termica del sistema (Figura 4). Se il raddrizzatore è in equilibrio termico, T_j (con una temperatura ambiente fissa (T_amb) come "terra" termica) può essere descritto come:

Dove:

R_th(j-a) = La resistenza termica tra la giunzione del diodo e l'ambiente

P_dissipated = La potenza dissipata nel dispositivo

Figura 4: Le resistenze termiche presentate a un diodo operazionale. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

In funzione, se la potenza generata attraverso l'autoriscaldamento è inferiore alla potenza dissipata, la T_j del dispositivo convergerà verso una condizione stabile (Figura 5). Tuttavia, se viene generato più autoriscaldamento di quanto possa essere dissipato, la T_j aumenta finché il dispositivo non diventa termicamente instabile. La situazione si trasforma rapidamente in una fuga termica perché la I_R aumenta esponenzialmente con la temperatura, innescando effettivamente un ciclo di retroazione positiva.

Figura 5: La condizione di funzionamento stabile di un diodo di esempio è determinata dall'equilibrio tra: la capacità del sistema termico di dissipare il calore attraverso la resistenza termica (linea blu (1)) e l'autoriscaldamento del raddrizzatore causato dalla propria corrente di perdita inversa (I_R) (e dalle perdite di commutazione) (linea rossa (2)). Si noti come l'autoriscaldamento aumenta esponenzialmente con l'aumentare della temperatura del sistema, con conseguente fuga termica. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Il progettista corre un alto rischio di fuga termica se un diodo Schottky usato in un'applicazione è soggetto ad alte temperature ambientali, a meno che il suo funzionamento non sia significativamente ridotto per temperature superiori a 145 °C. Per questo motivo, gli ingegneri tendono a evitare il diodo Schottky in applicazioni come i driver LED a commutazione rapida o le unità di controllo elettronico automotive per vano motore. Fino ad ora, questo ha lasciato l'ingegnere con solo il diodo a recupero rapido - che è caratterizzato da una bassa I_R e quindi è molto meno incline alla fuga termica - con il conseguente compromesso di un'efficienza inferiore.

L'alternativa del raddrizzatore SiGe

La scelta ristretta di diodi a recupero rapido per progetti ad alta temperatura e/o alta V_rmax è stata ampliata dall'emergere della tecnologia dei diodi SiGe che combina i vantaggi dei diodi Schottky e dei diodi a recupero rapido in un unico dispositivo. Questi raddrizzatori sostituiscono la giunzione Schottky a barriera metallica/tipo n Si con una basata su SiGe/tipo n Si (Figura 6).

Figura 6: Il raddrizzatore SiGe sostituisce la barriera metallica Schottky con SiGe. Il risultato è una banda proibita minore, una maggiore mobilità degli elettroni e una maggiore densità di portatori di carica intrinseca. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Il SiGe, come suggerisce il nome, è una lega al silicio e germanio; i vantaggi principali del semiconduttore sono una banda proibita minore (la differenza di energia in elettronvolt (eV) tra la banda di valenza e la banda di conduzione del semiconduttore), la capacità di commutare a frequenze più alte, una maggiore mobilità degli elettroni e una maggiore densità dei portatori di carica intrinseca rispetto al silicio. La banda proibita minore del SiGe abbassa la V_F della giunzione Si/tipo n SiGe a circa 0,75 V, circa 150 mV più bassa di un diodo a recupero rapido.

In pratica, la V_F inferiore riduce le perdite di conduzione del diodo di circa il 20% rispetto a un diodo a recupero rapido. Mentre l'efficienza dei componenti dipende da molteplici fattori, compreso il ciclo di lavoro dell'applicazione, un ingegnere potrebbe ragionevolmente aspettarsi un miglioramento dal 5 al 10% in applicazioni simili. Inoltre, il diodo SiGe presenta una I_R inferiore a quella di un diodo Schottky (Figura 7).

Figura 7: I raddrizzatori SiGe hanno una I_R inferiore ai dispositivi Schottky (per un funzionamento superiore alle alte temperature) e un V_F più basso dei raddrizzatori a recupero rapido (per una maggiore efficienza). (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Grazie all'alta densità di carica intrinseca del diodo SiGe e alla mobilità elettrone/foro, è caratterizzato da un basso t_rr, quindi è in grado di commutare velocemente. Questa commutazione veloce è anche abilitata da una capacità parassita e da un'induttanza relativamente basse. Inoltre, poiché il diodo SiGe ha una minore carica di recupero inverso (Q_RR) e una minore corrente di recupero inverso (I_RR) rispetto a un raddrizzatore Schottky comparabile, presenta perdite di commutazione inferiori. Questo è fondamentale perché, nelle applicazioni ad alta frequenza, queste perdite di commutazione sono un contributo importante alle perdite complessive. La combinazione di bassa I_R e basse perdite di commutazione elimina quasi del tutto le sfide legate alla fuga termica.

Selezione e applicazione dei diodi SiGe

Mentre i transistor SiGe sono sul mercato da diversi anni, i diodi SiGe sono più recenti. Per esempio, i raddrizzatori SiGe PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX e PMEG120G30ELPJ di Nexperia fanno parte di una famiglia disponibile nei contenitori Clip-bonded FlatPower (CFP3) e CFP5 (Figura 8). Questo contenitore è diventato lo standard del settore per i diodi di potenza.

Figura 8: Il raddrizzatore SiGe PMEG120G10ELRX è disponibile in un contenitore CFP5 che consente di risparmiare spazio e di aumentare il trasferimento di calore. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

La clip in rame pieno del contenitore minimizza la resistenza termica per aumentare il trasferimento di calore, permettendo così ai progettisti di utilizzare progetti di PCB più compatti. Il contenitore CFP3 riduce i requisiti di spazio del raddrizzatore del 38%, mentre il contenitore CFP5 risparmia fino al 56% rispetto ai formati SMA e SMB.

Spesso quando viene introdotta una nuova tecnologia, i progettisti devono preoccuparsi delle variabili di implementazione. Nel caso dei diodi SiGe di Nexperia, lo stesso confezionamento viene utilizzato anche per i diodi Schottky e quelli a recupero rapido dell'azienda, consentendo la sostituzione drop-in per applicazioni ad alta temperatura tra cui l'illuminazione a LED, le centraline automotive, gli alimentatori per server e le infrastrutture di comunicazione.

I raddrizzatori SiGe offrono una V_rmax fino a 120 V (versioni da 150 e 200 V disponibili per il campionamento), ben oltre il limite di 100 V imposto dalla maggior parte dei diodi Schottky. Inoltre, i dispositivi sono stati testati fino a 200 °C senza runaway termico o declassamento (Figura 9). Si noti che il limite di temperatura di funzionamento dei componenti (area operativa sicura (SOA)) di 175 °C è determinato non tanto dal diodo quanto dal contenitore del componente. La Figura 10 mostra come l'immunità alla fuga termica dei diodi SiGe permette un'area operativa sicura estesa rispetto ai diodi Schottky.

Figura 9: I raddrizzatori SiGe di Nexperia non soffrono la fuga termica dei raddrizzatori Schottky alle alte temperature. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Figura 10: L'immunità alla fuga termica consente un'area operativa sicura estesa per i raddrizzatori SiGe rispetto ai raddrizzatori Schottky. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

I raddrizzatori SiGe di Nexperia offrono capacità I_F di 1, 2 e 3 A con una bassa I_R di 0,2 nA (V_R = 120 V (pulsato), T_j = 25 °C), che sale a 10 µA a temperature elevate (V_R = 120 V (pulsato), T_j = 150 °C). Come i diodi Schottky, i raddrizzatori sono una buona scelta per le opzioni di commutazione veloce con basse perdite di commutazione e un t_rr di 6 ns. I prodotti sono qualificati AEC-Q101.

Conclusione

I raddrizzatori Schottky sono un'opzione comprovata per convertitori c.a./c.c. efficienti e ad alta frequenza, ma la loro I_R relativamente alta può portare a una fuga termica dannosa in applicazioni ad alta temperatura. Di conseguenza, i progettisti hanno dovuto ricorrere ai diodi a recupero rapido a bassa efficienza ma termicamente stabili per i convertitori a commutazione ad alta temperatura.

Tuttavia, come mostrato, la collaudata tecnologia SiGe dei transistor è ora disponibile in commercio nei diodi. Questa nuova classe di dispositivi combina l'efficienza e le caratteristiche di commutazione rapida degli Schottky con la stabilità termica dei diodi a recupero rapido. Pertanto sono una buona soluzione per progetti in ambienti ad alta temperatura come l'illuminazione a LED, le centraline automotive, gli alimentatori dei server e le infrastrutture di comunicazione.