Zastosowanie prostowników SiGe

Wyzwania konstrukcyjne z punktu widzenia temperatury

W zastosowaniach związanych z konwersją prądu zmiennego na stały inżynierowie zazwyczaj szukają komponentów o najwyższej sprawności, aby zmniejszyć straty mocy i ograniczyć problemy termiczne.

Najważniejszym czynnikiem określającym sprawność diody jest wartość VF. Diody Schottky'ego stanowią ulepszenie w stosunku do standardowych diod dzięki zastąpieniu złącza krzemowego typu p i n alternatywnym złączem krzemowym typu metal/n. W rezultacie spadek napięcia przewodzenia jest zmniejszony do poziomu między 0,15 a 0,45V (w zależności od wyboru metalu barierowego). Dodatkową zaletą diody Schottky'ego jest bardzo krótki czas trr (rzędu 100ps). Te cechy sprawiają, że prostownik Schottky’ego jest popularnym wyborem w zastosowaniach, takich jak wysokoczęstotliwościowe zasilacze impulsowe.

Jednakże prostownik Schottky'ego ma też istotne wady. Na przykład posiada stosunkowo niską wartość Vrmax w porównaniu z diodami krzemowymi (Si) typu p/n. Po drugie, i być może ważniejsze, prostowniki Schottky'ego charakteryzują się stosunkowo wysoką wartością IR, która może wynosić nawet setki mikroamperów (µA) w porównaniu z setkami nanoamperów (nA) dla diody krzemowej (Si) typu p/n w porównywalnych zastosowaniach. Co gorsza, wartość IR rośnie wykładniczo wraz z temperaturą złącza (Tj) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Charakterystyka zależności VR i IR dla diody Schottky'ego ogólnego przeznaczenia 1PS7xSB70 firmy Nexperia. Wartość IR jest zwykle znacznie wyższa niż dla równoważnej diody krzemowej (Si) typu p/n i rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. (Źródło ilustracji: ©Nexperia).

Stabilność termiczna prostownika diodowego jest zależna od niestabilnej równowagi między temperaturą własną zależną z kolei od wartości IR oraz zdolnością prostownika do rozpraszania ciepła dzięki rezystancji termicznej układu (ilustracja 4). Jeśli prostownik jest w stanie równowagi termicznej, wartość Tj (przy stałej temperaturze otoczenia (Tamb) w roli „masy” termicznej) można opisać jako:

Gdzie:

Rth(j-a) = opór cieplny między złączem diodowym a otoczeniem

Pdissipated = straty mocy w urządzeniu

Ilustracja 4: Opory cieplne działającej diody. (Źródło ilustracji: ©Nexperia)

Podczas pracy, pod warunkiem, że moc wytworzona na skutek temperatury własnej jest mniejsza od strat mocy, wartość Tj urządzenia będzie dążyć do stanu stabilnego (ilustracja 5). Jeśli jednak moc wytwarzana jest większa od strat, wartość Tj wzrasta, aż w końcu urządzenie stanie się niestabilne termicznie. Sytuacja szybko zmienia się w niekontrolowany wzrost temperatury, ponieważ wartość IR rośnie wykładniczo wraz z temperaturą, co skutecznie uaktywnia pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Ilustracja 5: Stabilny stan roboczy przykładowej diody jest zależny od równowagi między zdolnością układu cieplnego do rozpraszania ciepła dzięki oporowi cieplnemu (niebieska linia (1)) oraz temperaturą własną prostownika wytworzoną przez jego własny prąd wsteczny upływu (IR) (i straty przełączania) (czerwona linia (2)). Należy zwrócić uwagę, że samonagrzewanie rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury układu, powodując niekontrolowany wzrost temperatury. (Źródło ilustracji: © Nexperia)

Jeśli użyta dioda Schottky'ego zostanie poddana działaniu wysokich temperatur otoczenia, projektant będzie narażony na wysokie ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury, chyba że parametry pracy diody zostaną znacznie ograniczone dla temperatur powyżej 145°C. Z tego powodu inżynierowie często unikają diod Schottky'ego w zastosowaniach, takich jak szybko przełączające się sterowniki LED czy samochodowe sterowniki elektroniczne. Do tej pory inżynier miał do dyspozycji tylko diodę szybką, która cechuje się niską wartością IR i dlatego jest znacznie mniej podatna na niekontrolowany wzrost temperatury, ale też ma niższą sprawność.