Преимущества использования новых SiC-диодов Infineon в AC/DC-преобразователях

1 июня 2018

Шестое поколение выпускаемых компанией Infineon диодов Шоттки на основе карбида кремния – это высокий КПД во всем диапазоне нагрузок, повышение удельной мощности и лучшее в своем классе минимальное падение напряжения. Последнее обеспечивает их более высокую эффективность в цепях повышающих преобразователей напряжения.

Традиционные кремниевые приборы в процессе совершенствования своих возможностей достигли физических пределов. Раздвинуть эти границы позволяют новые приборы на основе карбида кремния (SiC), которые обладают целым рядом преимуществ в сравнении с чисто кремниевыми аналогами. В последние несколько лет движущими силами развития рынка стали энергосбережение, сокращение размеров, системная интеграция и повышение надежности. При этом отмечается существенный рост спроса на полупроводниковые приборы на основе карбида кремния. Высокая эффективность и надежность таких приборов востребованы в инновационных проектах интеллектуальной и энергосберегающей электроники.

Технология Infineon CoolSiC™ – будущее для мощных полупроводниковых приборов

На основе технологии SiC компания Infineon разрабатывает семейство CoolSiC™, которое сегодня является одним из наиболее востребованных в энергосберегающем оборудовании. В составе этого семейства имеются диоды Шоттки, используемые в блоках питания компьютеров, серверов, телекоммуникационного оборудования и в инверторных преобразователях солнечных батарей.

Рис. 1. Диод CoolSiC™ Schottky 650 V G6

Последним пополнением семейства CoolSiC™ стало шестое поколение приборов, известное также как G6, которое является результатом целого ряда усовершенствований, достигнутых в течение последних 17 лет. Все началось в 2001 году, когда Infineon выпустил первое поколение диодов с барьером Шоттки – семейство CoolSiC™. Появившееся вслед за ним в 2004 году второе поколение семейства имело структуру MPS (merged-PiN-Schottky) и обладало повышенной перегрузочной способностью по току. В 2009 году компания представила третье поколение с диффузионной пайкой, которая позволила снизить тепловое сопротивление «переход-корпус» (R_thJC). В 2012 году была внедрена технология с тонкими полупроводниковыми пластинами, а в 2017 году шестое поколение добавило новую топологию, новую структуру ячеек и новую патентованную металлическую систему Шоттки. Последние усовершенствования обеспечивают значительное повышение надежности, качества и эффективности в широком диапазоне нагрузок, а также повышают удельную мощность. Диоды CoolSiC™ 650 V G6 (рисунок 1) имеют лучшее в своем классе минимальное прямое падение напряжения.

Разработчикам высокоэффективных и компактных источников питания приходится учитывать различные аспекты проектирования. Каскад ККМ (PFC) в преобразователях AC/DC является одним из тех узлов, где диоды CoolSiC™ 650 V G6 могут реально показать свои преимущества при создании высокоэффективных компактных источников питания.

Infineon провел целый ряд испытаний с целью сравнения эффективности своих новых диодов Шоттки G6 c предыдущим поколением G5. В качестве тестовой платформы была выбрана оценочная плата серверного источника питания Infineon Platinum® (рисунок 2) с выходной мощностью 800 Вт при напряжении 380 В DC, входном напряжении 90…265 В AC и частоте коммутации 65 и 135 кГц.

Рис. 2. Оценочная плата Infenion 800 W Platinum®

Ниже представлены сравнительные результаты и преимущества использования диодов Шоттки CoolSiC™ 650 V G6 в повышающих AC/DC-преобразователях с коррекцией коэффициента мощности (PFC), а также преимущества теплового режима и рекомендации по защите от пиковых перегрузок по току. Выбрать подходящий диод Шоттки из модельного ряда Infenion 5 и 6 поколений поможет сводная таблица 1 с основными параметрами.

Малое прямое напряжение диода CoolSiC™ G6 обеспечивает повышенную эффективность.

Лучшее в своем классе приборов малое прямое напряжение на переходе у диодов CoolSiC™ G6 позволяет более эффективно использовать их в расширенном диапазоне нагрузок. Так, диод IDH06G65C6 имеет прямое падение напряжения 1,25 В при токе в 6 A и температуре 25°C, тогда как у IDH06G65C5 из поколения G5 при тех же условиях этот показатель остается на уровне 1,5 В.

Таблица 1. КПД платы Infineon 800 W Platinum® при использовании CoolSiC™ G6 и G5

Пониженное прямое падение напряжения на диодах Шоттки обеспечивает их более высокую эффективность в цепях повышающих преобразователей напряжения. Таблица 1 и графики на рисунках 3 и 4 демонстрируют сравнительную эффективность этих диодов, работающих в расширенном диапазоне нагрузок с разным напряжением питания и с разными частотами коммутации.

Рис. 3. Сравнение КПД отладочной платы ККМ на 800 Вт при работе на частоте 65 кГц для диодов CoolSiC™ G6 и G5

Рис. 4. Сравнение КПД отладочной платы ККМ на 800 Вт при работе на частоте 130 кГц для диодов CoolSiC™ G6 и G5

В качестве исходного уровня отсчета была принята эффективность демонстрационного источника питания Infineon с использованием диодов CoolSiC™ G5.

Так, применяемая в процессе испытаний демонстрационная плата серверного источника питания Platinum® 800 Вт с коррекцией коэффициента мощности показала улучшенную в среднем на 0,05% эффективность CoolSiC™ G6 в сравнении с предыдущим поколением (CoolSiC™ G5), что соответствует снижению мощности потерь на 1%.

Формируйте кривую эффективности, выбирая номинальный ток диода

Применяя SiC-диоды с разными номинальными токами, проектировщики повышающих преобразователей электропитания имеют также возможность формировать кривую эффективности в ожидаемом диапазоне нагрузки.

Для того чтобы оценить влияние типа диода на эффективность каскада PFC, было проведено испытание платы Platinum® 800 W с разными диодами Шоттки CoolSiC™ G6. IDH06G65C6 рассчитан на номинальный ток (I_F) 6 А, тогда как у IDH10G65C6, выполненного в аналогичном корпусе PG-TO220-2, этот показатель достигает 10 А.

Таблица 2. КПД платы Infenion 800 W Platinum® с разными диодами CoolSiC™ G6 в зависимости от величины нагрузки и входного напряжения

Таблица 2 содержит измеренные значения КПД в случае использования диодов на 6 и 10 А в составе платы, работающей на частоте 65 Гц. Чтобы упростить процесс и более эффективно выполнить сравнение между различными нагрузками по току, разница в КПД для диода на 10 А была вычислена в сравнении с диодом на 6 А. Рисунок 5 иллюстрирует сравнительную эффективность диодов IDH06G65C6 (оранжевая линия) и IDH10G65C6 (зеленая линия), где первый выступает в качестве опорного источника для сравнения.

Рис. 5. Сравнение КПД отладочной платы ККМ на 800 Вт при работе на частоте 65 кГц для диодов IDH06G65C6 и IDH10G65C6

Разница в КПД между графиками для низкого и высокого входного напряжения обусловлена разными токами, протекающими по цепи. Для передачи на выход одинаковой мощности ток при низком входном напряжении (115 В AC) должен быть вдвое больше, чем при высоком  напряжении (230 В AC). При высоком входном напряжении протекающий через диод ККМ ток оказывается меньше, сокращая потери проводимости и обеспечивая более высокий КПД в широком диапазоне нагрузок. PFC-диод работает, учитывая это, в разных областях характеристики при прямом смещении, что приводит к разной эффективности повышающего преобразователя напряжения питания.

Полученный результат показывает, что диод с повышенным номинальным током позволяет улучшить КПД, что связано с меньшими потерями проводимости. В демонстрационной плате замена диода позволяет повысить эффективность до 0,2% при максимальной выходной мощности, когда диод на 6 А заменяется диодом на 10 А.

С другой стороны, диод с пониженным номинальным током лучше работает при малой нагрузке из-за снижения емкостного заряда Qc, что позволяет уменьшить потери при переключении.

Баланс между эффективностью при малой и полной нагрузке и различными номинальными токами ККМ диода дает возможность оптимизировать источник питания таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать требованиям цены и производительности.

Меньшие потери проводимости – пониженная температура диода

Диоды Шоттки CoolSiC™ 650 V G6 обеспечивают более высокую эффективность за счет сниженных потерь мощности, что, в свою очередь, помогает сохранять на более низком уровне температурный режим.

Для того чтобы провести сравнение температур переходов между CoolSiC™ G6 и G5, использовались те же самые диоды – IDH06G65C6 и IDH06G65C5 – на ток 6 А и с прямым падением напряжения 1,25 и 1,5 В соответственно. Анализ проводился с помощью инструмента моделирования PLECS 4.0.4 с точной реализацией тепловых характеристик и механизма формирования потерь имитируемого устройства.

На рисунке 6 представлены результаты теплового моделирования в описанных условиях. График показывает разницу в температуре перехода между CoolSiC™ G6 (красная линия) и G5 (серая линия). Можно видеть, что значение Tj у CoolSiC™ G6 ниже примерно на 1°C после 100 мкс протекания тока.

Рис. 6. Смоделированная температура полупроводникового перехода при V_IN = 90 В AC, F_SW = 130 кГц и P_out = 800 Вт

Защита диода в цепи PFC от броска тока

Для импульсных повышающих источников питания с SiC-диодами Шоттки в цепях PFC важно предусмотреть меры защиты от броска тока с помощью шунтирующего диода. Такие броски могут появиться, например, вследствие возникновения импульсов перенапряжения во входном питающем напряжении.

Ограничение прямого тока через SiC-диод с целью предотвращения его выхода из строя в таком случае реализуется достаточно просто – с помощью биполярного шунтирующего диода, который будет проводить ток только тогда, когда выпрямленное напряжение с диодного моста превышает выходное напряжение. На рисунке 7 показана упрощенная схема защиты с использованием шунтирующего диода.

Рис. 7. Защита цепи PFC с помощью шунтирующего биполярного диода

Шунтирующий биполярный диод не создает никаких дополнительных потерь мощности в нормальном рабочем режиме, потому что он проводит ток только тогда, когда напряжение на аноде выше, чем на катоде.

Диоды Шоттки Infenion CoolSiC™

В таблице 3 представлены диоды Шоттки CoolSiC™ 5 и 6 поколения, выпускаемые компанией Infenion в настоящее время.

Таблица 3. Диоды CoolSiC™ Schottky G5 и G6