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

1 июня 2018

телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиSiC

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

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» (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®

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. 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

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

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

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

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

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
IDH12G65C6XKSA1 (INFIN)
IDH10G65C6XKSA1 (INFIN)
IDH06G65C6XKSA1 (INFIN)
IDH04G65C6XKSA1 (INFIN)
IDH08G65C6XKSA1 (INFIN)
IDM02G120C5XTMA1 (INFIN)
IDH02G65C5XKSA2 (INFIN)
IDH03G65C5XKSA2 (INFIN)
IDH04G65C5XKSA2 (INFIN)
IDL02G65C5XUMA2 (INFIN)