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來(lái)源：Digikey 作者：Art Pini 高頻開(kāi)關(guān)模式電路，如采用連續傳導模式 (CCM) 的功率因數校正 (PFC) 電路，需要開(kāi)關(guān)損耗低的二極管。對采用 CCM 模式的傳統硅 (Si) 二極管而言，這些開(kāi)關(guān)損耗來(lái)自二極管關(guān)斷時(shí)二極管結內存儲的電荷產(chǎn)生的反向恢復電流。要將這些損耗降到最低，通常需要一個(gè)具有更高平均正向電流的 Si 二極管，但這會(huì )導致更大的尺寸和更高的成本。 在 CCM PFC 電路中，碳化硅 (SiC) 二極管是更好的選擇，因其反向恢復電流本質(zhì)上只是容性電流。減少 SiC 器件中的少數載流子注入意味著(zhù) SiC 二極管的開(kāi)關(guān)損耗接近于零。此外，合并 PIN 肖特基 (MPS) SiC 二極管能降低器件的正向壓降，與傳統 SiC 肖特基二極管類(lèi)似。這會(huì )進(jìn)一步將傳導損耗降至最低。 本文首先簡(jiǎn)要討論 CCM PFC 電路中低損耗開(kāi)關(guān)所面臨的挑戰。然后介紹 Vishay General Semiconductor - Diodes Division 的一個(gè) MPS 器件示例，并說(shuō)明如何應用該器件將損耗降至最低。 低損耗開(kāi)關(guān)要求 額定功率超過(guò) 300 W 的 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源通常借助 PFC 來(lái)滿(mǎn)足 IEC61000-4-3 等國際標準，這些標準規定了無(wú)功功率和線(xiàn)路諧波水平。PFC 電源中采用的二極管，尤其是工作頻率較高的開(kāi)關(guān)電源中采用的二極管，必須能夠承受電源的額定功率以及與電路的傳導和開(kāi)關(guān)動(dòng)作相關(guān)的損耗。Si 器件具有明顯的反向恢復損耗。當從導電狀態(tài)切換到非導電狀態(tài)時(shí)， Si 二極管會(huì )在帶電載流子從結移除的同時(shí)，仍保持導電狀態(tài)。這會(huì )導致在二極管反向恢復時(shí)間內產(chǎn)生大量電流，造成 Si 二極管的關(guān)斷損耗。 SiC 肖特基二極管的反向恢復僅限于電容放電，而電容放電進(jìn)展更快，從而有效地消除了關(guān)斷損耗。SIC 二極管的正向壓降較高，會(huì )造成傳導損耗，但壓降可控。此外，SiC 二極管的溫度范圍更大、開(kāi)關(guān)速度更快。溫度范圍越大，功率密度就越高，從而使封裝越小。更快的開(kāi)關(guān)速度得益于肖特基結構和 SiCk 更短的反向恢復時(shí)間。開(kāi)關(guān)頻率越高，電感器和電容器的值就越小，從而提高電源的容積效率。 SiC MPS 二極管 SiC MPS 二極管兼具肖特基二極管和 PIN 二極管的實(shí)用功能。這種結構使二極管具有快速開(kāi)關(guān)、低導通壓降、低關(guān)斷漏電和良好的高溫特性。 采用純肖特基結的二極管能夠實(shí)現盡可能低的正向電壓，但在大電流情況下會(huì )出現問(wèn)題，例如某些 PFC 應用中的浪涌電流。通過(guò)在肖特基結構的金屬漂移區下方嵌入 P 摻雜區，MPS 二極管可改善浪涌電流性能（圖 1）。這樣，在肖特基二極管陽(yáng)極與金屬形成 P 歐姆接觸，并與輕度摻雜的 SiC 漂移或外延層形成 P-N 結。 
圖 1：所示為 SiC 肖特基二極管（左）和 MPS 二極管（右）的結構對比。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor） 正常情況下，MPS 二極管的肖特基結構會(huì )傳導幾乎全部電流，二極管的特征與肖特基二極管相似，并具有相應的開(kāi)關(guān)特性。 在高瞬態(tài)浪涌電流情況下，MPS 二極管兩端的電壓會(huì )升高并超過(guò)內置 P-N 二極管的閾值電壓，從而開(kāi)始導通，降低局部電阻。這會(huì )對通過(guò) P-N 結區的電流進(jìn)行分流，進(jìn)而限制功率耗散并降低 MPS 二極管上的熱應力。在大電流下情況，漂移區的電導率會(huì )增大，使正向電壓保持較低的值。 SiC 器件的浪涌電流性能源于器件的單極性和相對較高的漂移層電阻。MPS 結構也能改善這一性能參數，而摻雜 P 區的幾何位置、大小和摻雜濃度會(huì )影響最終特性。正向壓降是漏電流與浪涌電流額定值之間的折衷。 在反向偏壓作用下，摻雜 P 區會(huì )迫使整個(gè)最大場(chǎng)強區域向下移動(dòng)，離開(kāi)有缺陷的金屬隔離層，進(jìn)入幾乎無(wú)缺陷的漂移層，從而降低總漏電流。這使得 MPS 器件能夠在相同漏電流和漂移層厚度的條件下，以更高的擊穿電壓工作。 Vishay 的 MPS 結構采用薄膜技術(shù)，通過(guò)激光退火減小了二極管結構的背面厚度，與早期解決方案相比，可將正向壓降降低 0.3 V。此外，二極管的正向壓降幾乎與溫度無(wú)關(guān)（圖 2）。
圖 2：純肖特基二極管（虛線(xiàn)）和 MPS 二極管結構（實(shí)線(xiàn)）的正向壓降對比顯示，MPS 二極管在正向電流增大時(shí)保持了更一致的正向壓降。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductors） 該圖顯示了這兩類(lèi)二極管以溫度作為參數時(shí)的正向電壓與正向電流的函數關(guān)系。純肖特基二極管的正向壓降在電流超過(guò) 45 A 時(shí)呈指數級增長(cháng)。隨著(zhù)正向電流的增大，MPS 二極管維持了更一致的正向壓降。請注意，當 MPS 二極管的正向電流較高時(shí)，正向電壓會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低。 MPS 二極管示例 Vishay 先進(jìn)的 SiC MPS 二極管的額定反向峰值電壓為 1200 V，額定正向電流為 5 A 至 40 A。例如，VS-3C05ET12T-M3（圖 3）是一款采用 TO-220-2 封裝的通孔安裝二極管，額定正向電流為 5 A，滿(mǎn)額定電流時(shí)的正向電壓為 1.5 V。二極管的反向漏電流為 30 mA，額定最高工作結溫為 +175°C。
圖 3：VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS 二極管采用通孔封裝，額定正向電流為 5 A，滿(mǎn)額定電流時(shí)的正向電壓為 1.5 V。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor） 該二極管系列是高速硬開(kāi)關(guān)應用的最佳選擇，并且可在寬溫度范圍內高效工作。 MPS SiC 二極管的應用 MPS 二極管通常應用于各種開(kāi)關(guān)模式電源電路，如 DC/DC 轉換器，包括光伏應用中常見(jiàn)的采用全橋相移 (FBPS) 和“電感-電感-電容 (LLC)” 拓撲結構的轉換器。另一種常見(jiàn)的應用是采用 PFC 電路的 AC/DC 電源。 功率因數是有功功率與視在功率之比，用來(lái)衡量電氣設備對輸入功率的利用效率。理想的功率因數為 1。功率因數降低意味著(zhù)視在功率大于有功功率，從而導致驅動(dòng)特定負載所需的電流增加。低功率因數負載的高峰值電流也會(huì )在電力線(xiàn)上產(chǎn)生諧波。電力供應商通常會(huì )規定允許的用戶(hù)功率因數范圍。AC/DC 電源設計可包含 PFC（圖 4）。
圖 4：所示為在帶有升壓轉換器的 AC/DC 電源中實(shí)現的典型有源 PFC 級。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor） 在圖 4 中，橋式整流器 B1 將 AC 輸入轉換為 DC。MOSFET Q1 是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)，由 PFC IC（未顯示）控制其“導通”和“關(guān)斷”。當 MOSFET 處于“導通”狀態(tài)時(shí)，通過(guò)電感器的電流呈線(xiàn)性增長(cháng)。此時(shí)，SiC 二極管被輸出電容器 (COUT) 上的電壓反向偏置，而 SiC 二極管的低反向漏電可將漏電損耗降至最低。當 MOSFET“關(guān)斷”時(shí)，電感器通過(guò)正向偏壓輸出整流二極管向 COUT 輸送線(xiàn)性遞減電流。 在 CCM PFC 電路中，電感器電流不會(huì )在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內降至零。CCM PFC 常見(jiàn)于幾百瓦或更大功率的電源中。PFC IC 對 MOSFET 開(kāi)關(guān)進(jìn)行脈寬調制 (PWM)，使電源電路的輸入阻抗呈現純電阻狀態(tài)（功率因數為 1），并保持較低水平的峰值電流與平均電流之比（即波峰因數）（圖 5）。
圖 5：所示為 CCM PFC 升壓電路中的瞬時(shí)電流和平均電流。（圖片來(lái)源：Vishay Semiconductor） 不連續和臨界電流工作模式下的電感器電流為零，二極管開(kāi)關(guān)切換至無(wú)偏置狀態(tài)，而 CCM 電路中的電感器電流永遠不會(huì )降為零，因此當開(kāi)關(guān)改變狀態(tài)時(shí)，電感器電流不會(huì )降為零。當二極管切換至反向狀態(tài)時(shí)，反向恢復會(huì )大大增加損耗。采用 MPS SiC 二極管可消除這些損耗。采用 MPS SiC 二極管可減少開(kāi)關(guān)損耗，從而縮小芯片尺寸，降低二極管和有源開(kāi)關(guān)的成本。 結束語(yǔ) 與 Si 器件相比，Vishay 的 MPS SiC 肖特基二極管具有更高的額定正向電流、更低的正向壓降和更小的反向恢復損耗，而且封裝更小，額定溫度更高。因此，這些器件非常適用于開(kāi)關(guān)模式電源設計。 |
