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.
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» (RthJC). 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
Условия | КПД при VIN = 115 В AC и Fsw = 65 кГц, % | КПД при VIN = 230 В AC и Fsw = 65 кГц, % | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
POUT, % от MAX | IDH06G65C6 | IDH06G65C5 | ∆КПД | IDH06G65C6 | IDH06G65C5 | ∆КПД |
20 | 95,93 | 95,87 | +0,06 | 97,15 | 97,07 | +0,08 |
40 | 96,49 | 96,46 | +0,03 | 97,85 | 97,80 | +0,05 |
60 | 96,38 | 96,32 | +0,06 | 98,07 | 98,01 | +0,06 |
80 | 96,05 | 95,98 | +0,07 | 98,11 | 98,06 | +0,05 |
100 | 95,57 | 95,54 | +0,03 | 98,10 | 98,05 | +0,05 |
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 (IF) 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
Условия | КПД при VIN = 115 В AC и Fsw = 65 кГц | КПД при VIN = 230 В AC и Fsw = 65 кГц | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
POUT, % от MAX | IDH06G65C6 | IDH10G65C6 | ∆КПД | IDH06G65C6 | IDH10G65C6 | ∆КПД |
20% | 95,92 | 95,90 | -0,02 | 97,15 | 97,11 | -0,04 |
40% | 96,49 | 96,53 | +0,04 | 97,85 | 97,87 | +0,02 |
60% | 96,38 | 96,42 | +0,04 | 98,07 | 98,09 | +0,02 |
100% | 95,57 | 95,72 | +0,15 | 98,10 | 98,16 | +0,06 |
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 VIN = 90 В AC, FSW = 130 кГц и Pout = 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
Продукт | Номер заказа | Технология | В DC | IF, А | VF | QC, nC | Корпус | I(FSM), А | IR, мкА | CT, пФ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
D2PAK real 2pin | ||||||||||
IDK02G65C5 | IDK02G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 2 | 1,5 | 4 | D2PAK (TO-263-2) |
23 | 0,1 | 70 |
IDK03G65C5 | IDK03G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 3 | 1,5 | 5 | D2PAK (TO-263-2) |
31 | 0,15 | 100 |
IDK04G65C5 | IDK04G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 4 | 1,5 | 7 | D2PAK (TO-263-2) |
38 | 0,2 | 130 |
IDK05G65C5 | IDK05G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 5 | 1,5 | 8 | D2PAK (TO-263-2) |
46 | 0,25 | 160 |
IDK06G65C5 | IDK06G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 6 | 1,5 | 10 | D2PAK (TO-263-2) |
54 | 0,3 | 190 |
IDK08G65C5 | IDK08G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 8 | 1,5 | 13 | D2PAK (TO-263-2) |
68 | 0,4 | 250 |
IDK09G65C5 | IDK09G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 9 | 1,5 | 14 | D2PAK (TO-263-2) |
75 | 0,45 | 270 |
IDK10G65C5 | IDK10G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 10 | 1,5 | 15 | D2PAK (TO-263-2) |
82 | 0,5 | 300 |
IDK12G65C5 | IDK12G65C5XTMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 12 | 1,5 | 18 | D2PAK (TO-263-2) |
97 | 0,65 | 360 |
DPAK real 2pin | ||||||||||
IDM02G120C5 | IDM02G120C5XTMA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 2 | 1,4 | 14 | DPAK (TO-252-2) |
37 | 1,2 | 182 |
IDM05G120C5 | IDM05G120C5XTMA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 5 | 1,5 | 24 | DPAK (TO-252-2) |
59 | 2,5 | 301 |
IDM08G120C5 | IDM08G120C5XTMA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 8 | 1,65 | 28 | DPAK (TO-252-2) |
70 | 3 | 365 |
IDM10G120C5 | IDM10G120C5XTMA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 10 | 1,5 | 41 | DPAK (TO-252-2) |
99 | 4 | 525 |
ThinPAK | ||||||||||
IDL02G65C5 | IDL02G65C5XUMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 2 | 1,5 | 4 | ThinPAK 8×8 | 21 | 0,1 | 70 |
IDL04G65C5 | IDL04G65C5XUMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 4 | 1,5 | 7 | ThinPAK 8×8 | 29 | 0,2 | 130 |
IDL06G65C5 | IDL06G65C5XUMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 6 | 1,5 | 10 | ThinPAK 8×8 | 36 | 0,3 | 190 |
IDL08G65C5 | IDL08G65C5XUMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 8 | 1,5 | 13 | ThinPAK 8×8 | 43 | 0,4 | 250 |
IDL10G65C5 | IDL10G65C5XUMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 10 | 1,5 | 15 | ThinPAK 8×8 | 50 | 0,5 | 300 |
IDL12G65C5 | IDL12G65C5XUMA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 12 | 1,5 | 18 | ThinPAK 8×8 | 57 | 0,65 | 360 |
TO-220 real 2pin | ||||||||||
IDH02G65C5 | IDH02G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 2 | 1,5 | 4 | TO-220 real 2pin |
23 | 0,1 | 70 |
IDH02G120C5 | IDH02G120C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 2 | 1,4 | 14 | TO-220 real 2pin |
37 | 1,2 | 182 |
IDH03G65C5 | IDH03G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 3 | 1,5 | 5 | TO-220 real 2pin |
31 | 0,2 | 100 |
IDH04G65C5 | IDH04G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 4 | 1,5 | 7 | TO-220 real 2pin |
38 | 0,2 | 130 |
IDH04G65C6 | IDH04G65C6XKSA1 | CoolSiC™ G6 | 650 | 4 | 1,25 | 6,9 | TO-220 real 2pin |
29 | 0,4 | 205 |
IDH05G65C5 | IDH05G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 5 | 1,5 | 8 | TO-220 real 2pin |
46 | 0,3 | 160 |
IDH05G120C5 | IDH05G120C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 5 | 1,5 | 24 | TO-220 real 2pin |
59 | 2,5 | 301 |
IDH06G65C5 | IDH06G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 6 | 1,5 | 10 | TO-220 real 2pin |
54 | 0,3 | 190 |
IDH06G65C6 | IDH06G65C6XKSA1 | CoolSiC™ G6 | – | 6 | 1,25 | 9,6 | TO-220 real 2pin |
38 | 0,6 | 302 |
IDH08G65C5 | IDH08G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 8 | 1,5 | 13 | TO-220 real 2pin |
68 | 0,4 | 250 |
IDH08G120C5 | IDH08G120C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 8 | 1,65 | 28 | TO-220 real 2pin |
70 | 3 | 365 |
IDH08G65C6 | IDH08G65C6XKSA1 | CoolSiC™ G6 | 650 | 8 | 1,25 | 12,2 | TO-220 real 2pin |
47 | 0,8 | 401 |
IDH09G65C5 | IDH09G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 9 | 1,5 | 14 | TO-220 real 2pin |
75 | 0,45 | 270 |
IDH10G65C5 | IDH10G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 10 | 1,5 | 15 | TO-220 real 2pin |
82 | 0,5 | 300 |
IDH10G120C5 | IDH10G120C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 10 | 1,5 | 41 | TO-220 real 2pin |
99 | 4 | 525 |
IDH10G65C6 | IDH10G65C6XKSA1 | CoolSiC™ G6 | 650 | 10 | 1,25 | 14,7 | TO-220 real 2pin |
55 | 1 | 495 |
IDH12G65C5 | IDH12G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 12 | 1,5 | 18 | TO-220 real 2pin |
97 | 0,65 | 360 |
IDH12G65C6 | IDH12G65C6XKSA1 | CoolSiC™ G6 | 650 | 12 | 1,25 | 17,1 | TO-220 real 2pin |
64 | 1,2 | 594 |
IDH16G65C5 | IDH16G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 16 | 1,5 | 23 | TO-220 real 2pin |
124 | 0,85 | 470 |
IDH16G120C5 | IDH16G120C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 16 | 1,65 | 57 | TO-220 real 2pin |
140 | 5,5 | 730 |
IDH16G65C6 | IDH16G65C6XKSA1 | CoolSiC™ G6 | 650 | 16 | 1,25 | 21,5 | TO-220 real 2pin |
82 | 1,6 | 783 |
IDH20G65C5 | IDH20G65C5XKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 20 | 1,5 | 29 | TO-220 real 2pin |
142 | 1,1 | 590 |
IDH20G120C5 | IDH20G120C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 20 | 1,5 | 82 | TO-220 real 2pin |
198 | 8,5 | 1050 |
IDH20G65C6 | IDH20G65C6XKSA1 | CoolSiC™ 6G | 650 | 20 | 1,25 | 26,8 | TO-220 real 2pin |
99 | 2 | 970 |
TO-247 | ||||||||||
IDW10G65C5 | IDW10G65C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 650 | 10 | 1,5 | 15 | TO-247 | 58 | 0,5 | 300 |
IDW10G120C5B | IDW10G120C5BFKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 10 | 1,4 | 57 | TO-247 | 140 | 6 | 730 |
IDW20G65C5B | IDW20G65C5BXKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 10 | 1,5 | 15 | TO-247 | 58 | 0,5 | 300 |
IDW12G65C5 | IDW12G65C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 650 | 12 | 1,5 | 18 | TO-247 | 71 | 0,6 | 360 |
IDW24G65C5B | IDW24G65C5BXKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 12 | 1,5 | 18 | TO-247 | 71 | 0,6 | 360 |
IDW15G120C5B | IDW15G120C5BFKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 15 | 1,4 | 82 | TO-247 | 170 | 8 | 1050 |
IDW16G65C5 | IDW16G65C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 650 | 16 | 1,5 | 23 | TO-247 | 95 | 0,8 | 470 |
IDW32G65C5B | IDW32G65C5BXKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 16 | 1,5 | 23 | TO-247 | 95 | 0,8 | 470 |
IDW20G65C5 | IDW20G65C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 650 | 20 | 1,5 | 29 | TO-247 | 103 | 1,1 | 590 |
IDW20G120C5B | IDW20G120C5BFKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 20 | 1,4 | 106 | TO-247 | 190 | 12 | 1368 |
IDW40G65C5B | IDW40G65C5BXKSA2 | CoolSiC™ G5 | 650 | 20 | 1,5 | 29 | TO-247 | 103 | 1,1 | 590 |
IDW30G65C5 | IDW30G65C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 650 | 30 | 1,5 | 42 | TO-247 | 165 | 1,6 | 860 |
IDW30G120C5B | IDW30G120C5BFKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 30 | 1,4 | 154 | TO-247 | 240 | 17 | 1980 |
IDW40G65C5 | IDW40G65C5XKSA1 | CoolSiC™ G5 | 650 | 40 | 1,5 | 55 | TO-247 | 182 | 2,2 | 1140 |
IDW40G120C5B | IDW40G120C5BFKSA1 | CoolSiC™ G5 | 1200 | 40 | 1,4 | 202 | TO-247 | 290 | 23 | 2592 |
Наши информационные каналы