Zastosowanie prostowników SiGe
Prostowniki krzemowo-germanowe (SiGe) eliminują wiele wad widocznych w innych typach urządzeń i łączą w sobie najlepsze cechy prostowników Schottky'ego oraz prostowników z diodami szybkimi.
Alternatywa w postaci prostownika SiGe
Dotychczas wąska oferta diod szybkich do zastosowań w wysokich temperaturach i/lub przy wysokich wartościach Vrmax została rozszerzona dzięki pojawieniu się technologii diod SiGe, która łączy w sobie zalety diod Schottky'ego i diod szybkich. W tych prostownikach złącze krzemowe (Si) Schottky'ego typu metal barierowy / n zastępuje się złączem Si typu SiGe/n (ilustracja 6).
Ilustracja 6: W prostowniku SiGe metalową barierę Schottky'ego zastępuje się SiGe. Rezultatem jest mniejsze pasmo wzbronione, większa ruchliwość elektronów i wyższa wewnętrzna gęstość nośnika ładunku. (Źródło ilustracji: © Nexperia)
SiGe, jak sama nazwa wskazuje, to stop krzemu i germanu. Kluczowymi zaletami tego półprzewodnika są mniejsze pasma wzbronione (gdzie pasmo wzbronione to różnica energii w elektronowoltach (eV) między pasmem walencyjnym półprzewodnika a pasmem przewodnictwa), możliwość przełączania przy wyższych częstotliwościach, większa ruchliwość elektronów i większa wewnętrzna gęstość nośnika ładunku niż w przypadku krzemu. Mniejsze pasmo wzbronione SiGe obniża wartość VF złącza SiGe typu Si/n do około 0,75V, czyli do wartości o około 150mV niższej niż w przypadku diody szybkiej.
W praktyce niższa wartość VF daje o około 20 procent mniejsze straty przewodzenia diody w porównaniu do diody szybkiej. Chociaż sprawność komponentów zależy od wielu czynników, m.in. od cyklu pracy, inżynier może mieć racjonalne podstawy, aby spodziewać się poprawy rzędu 5 do 10 procent w podobnych zastosowaniach. Dodatkowo dioda SiGe charakteryzuje się niższą wartością IR niż dioda Schottky'ego (ilustracja 7).
Ilustracja 7: Prostowniki SiGe mają niższą wartość IR (zapewniającą doskonałe działanie w wysokich temperaturach) niż prostowniki Schottky'ego i niższą wartość VF (zapewniającą wyższą sprawność) niż prostowniki z diodami szybkimi. (Źródło ilustracji: © Nexperia)
Ze względu na wysoką gęstość wewnętrzną ładunku i ruchliwość elektronów/dziur dioda SiGe charakteryzuje się niską wartością trr, czyli jest zdolna do szybkiego przełączania. To szybkie przełączanie jest również możliwe dzięki stosunkowo niskiej pojemności pasożytniczej i indukcyjności. Co więcej, ponieważ dioda SiGe ma niższy ładunek regeneracyjny wsteczny (QRR) i niższy prąd regeneracyjny wsteczny (IRR) niż porównywalny prostownik Schottky'ego, charakteryzuje się mniejszymi stratami przełączania. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości to straty przełączania są głównym czynnikiem przyczyniającym się do całości strat. Kombinacja niskiej wartości IR i niskich strat przełączania prawie eliminuje problemy związane z niekontrolowanym wzrostem temperatury.
Dobór i zastosowanie diod SiGe
Chociaż tranzystory SiGe są dostępne na rynku od kilku lat, diody SiGe są nowością. Na przykład prostowniki SiGe PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX i PMEG120G30ELPJ firmy Nexperia stanowią część grupy komponentów występujących w kompaktowych i zoptymalizowanych pod względem termicznym obudowach zaciskowych FlatPower (CFP3) i CFP5 (ilustracja 8). Ta obudowa stała się standardem branżowym dla diod mocy.
Ilustracja 8: Prostownik SiGe PMEG120G10ELRX występuje w obudowie CFP5, która pozwala zaoszczędzić miejsce przy jednoczesnym zwiększeniu wymiany ciepła. (Źródło ilustracji: © Nexperia).
Solidny miedziany zacisk obudowy minimalizuje opór cieplny, zwiększając transfer ciepła, co umożliwia projektantom stosowanie płytek drukowanych o bardziej kompaktowej budowie. Dzięki obudowie CFP3 prostownik zajmuje o 38 procent mniej miejsca, natomiast dzięki obudowie CFP5 - nawet do 56 procent mniej w porównaniu z obudowami SMA i SMB.
Często, gdy wprowadzana jest nowa technologia, projektanci muszą zwracać uwagę na zmienne wdrożeniowe. Jeśli chodzi o diody SiGe firmy Nexperia, do diod Schottky’ego i diod szybkich stosowana jest ta sama obudowa, co sprawia, że są one łatwo wymienne w zastosowaniach wysokotemperaturowych, m.in. w oświetleniu LED, samochodowych sterownikach elektronicznych, zasilaczach serwerowych i infrastrukturze komunikacyjnej.
Prostowniki SiGe oferują napięcie Vrmax do 120V (wersje 150 i 200V są dostępne do próbkowania) - jest to wartość znacznie powyżej maksimum 100V narzuconego przez większość diod Schottky'ego. Ponadto urządzenia zostały przetestowane w temperaturze do 200°C i nie zaobserwowano niekontrolowanego wzrostu temperatury ani obniżonych parametrów pracy (ilustracja 9). Należy zwrócić uwagę, że wartość graniczną temperatury roboczej komponentów (bezpieczny obszar roboczy (SOA)) wynoszącą 175°C determinuje nie tyle sama dioda, co obudowa komponentu. Na ilustracji 10 przedstawiono, w jaki sposób odporność diod SiGe na niekontrolowane wzrosty temperatury gwarantuje większy bezpieczny obszar roboczy w porównaniu z diodami Schottky'ego.
Ilustracja 9: W prostownikach SiGe firmy Nexperia nie dochodzi do zjawiska niekontrolowanego wzrostu temperatury obserwowanego w prostownikach Schottky'ego przy wysokich temperaturach. (Źródło ilustracji: Nexperia)
Ilustracja 10: Odporność na niekontrolowany wzrost temperatury pozwala na rozszerzenie bezpiecznego obszaru roboczego dla prostowników SiGe w porównaniu z prostownikami Schottky'ego. (Źródło ilustracji: © Nexperia)
Prostowniki Nexperia SiGe oferują wartość IF 1, 2 i 3A przy niskiej wartości IR - 0,2nA (VR = 120V (impulsowe), Tj = 25°C), która wzrasta do 10µA w podwyższonych temperaturach (VR = 120V (impulsowe), Tj = 150°C). Podobnie jak diody Schottky'ego, prostowniki są dobrym wyborem do szybkiego przełączania przy niskich stratach przełączania i czasie trr równym 6 ns. Opisywane produkty posiadają kwalifikację AEC-Q101.
Steven Keeping
Steven Keeping jest współautorem w Digi-Key Electronics. Uzyskał tytuł HNC w dziedzinie fizyki stosowanej na Uniwersytecie Bournemouth w Wielkiej Brytanii oraz tytuł BEng (z wyróżnieniem) na Uniwersytecie w Brighton w Wielkiej Brytanii, po czym rozpoczął siedmioletnią karierę inżyniera produkcji elektroniki w firmach Eurotherm i BOC. Przez ostatnie dwie dekady Steven pracował jako dziennikarz technologiczny, redaktor i wydawca. W 2001 roku przeniósł się do Sydney, gdzie przez cały rok mógł jeździć na rowerze szosowym i górskim oraz pracować jako redaktor Australian Electronics Engineering. Steven został niezależnym dziennikarzem w 2006 roku, a jego specjalnościami są RF, diody LED i zarządzanie energią.
Podsumowanie
Prostowniki Schottky'ego są sprawdzoną opcją dla wydajnych przetwornic prądu zmiennego na stały o wysokiej częstotliwości, ale ich stosunkowo wysoka wartość IR może prowadzić do szkodliwego i niekontrolowanego wzrostu temperatury w zastosowaniach wysokotemperaturowych. W rezultacie projektanci szukając diod do wysokotemperaturowych przetworników przełączających, musieli sięgnąć po diody o niższej sprawności, ale stabilne termicznie.
Jednak sprawdzona technologia SiGe z tranzystorów znalazła zastosowanie komercyjne w diodach. Ta nowa klasa urządzeń łączy w sobie wysoką sprawność i szybką charakterystykę przełączania prostowników Schottky'ego ze stabilnością termiczną prostowników z diodami szybkimi. W związku z tym stanowią one dobre rozwiązanie dla produktów przeznaczonych do środowisk o wysokiej temperaturze, takich jak oświetlenie LED, samochodowe sterowniki ECU, zasilacze serwerów i infrastruktura komunikacyjna.
Źródło ©: www.digikey.pl
Kontakt w Polsce
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
0048 696 307 330
arkadiusz.rataj@digikey.com
poland.support@digikey.pl