Zastosowanie prostowników SiGe

Do niedawna inżynierowie w swoich szybko przełączających zasilaczach prądu zmiennego/stałego stosowali jeden z dwóch konwencjonalnych wariantów prostowników diodowych: prostowniki Schottky'ego lub prostowniki z diodami szybkimi. Prostowniki Schottky'ego zapewniają przełączanie z niskimi stratami i dobrą sprawnością, ale w konstrukcjach narażonych na podwyższone temperatury, takich jak samochodowe reflektory LED lub sterowniki elektroniczne (ECU), ulegają niekontrolowanemu wzrostowi temperatury. Diody szybkie są bardziej stabilne w wyższych temperaturach, ale mają mniejszą sprawność.

Trzecią opcję stanowią prostowniki krzemowo-germanowe (SiGe), które eliminują wiele wad widocznych w innych typach urządzeń i łączą w sobie najlepsze cechy prostowników Schottky'ego oraz prostowników z diodami szybkimi. W szczególności prostowniki SiGe charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną, co czyni je dobrym rozwiązaniem do zastosowań w podwyższonych temperaturach.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono podstawy prostowników i związane z nimi wyzwania, w tym porównano konwencjonalne prostowniki Schottky'ego i prostowniki z diodami szybkimi. Dalej pokazano, w jaki sposób architektura prostownika SiGe łączy zalety dwóch pozostałych wspomnianych wcześniej typów prostowników. Na przykładzie urządzeń firmy Nexperia w artykule przedstawiono zarys kluczowych charakterystyk prostowników SiGe oraz sposoby wykorzystania urządzeń SiGe do rozwiązywania problemów związanych z szybkim przełączaniem w wysokich temperaturach w zastosowaniach wiążących się z konwersją prądu zmiennego na stały.

Podstawy prostowników

Prostowniki są podstawowymi obwodami zasilaczy, które służą do konwersji napięcia wejściowego prądu zmiennego na napięcie prądu stałego, które można następnie wykorzystać do zasilania komponentów elektronicznych. Chociaż istnieje wiele topologii (na przykład prostowniki półokresowe i pełnookresowe), kluczowymi komponentami prostowników są diody.

Najprostszą formą diody jest złącze p-n wykonane z domieszkowanego krzemu (Si). Gdy dioda znajduje się w polaryzacji przewodzenia (dodatni biegun źródła zasilania podłączony do strony typu p komponentu a biegun ujemny do strony typu n), a napięcie jest wystarczające, aby przezwyciężyć naturalny „potencjał rezystancji” diody lub spadek napięcia przewodzenia (który wynosi około 0,7V dla diody Si), wówczas prąd przewodzenia jest wysoki (IF). Wartość IF następnie rośnie proporcjonalnie do wzrostu napięcia zasilania (VF). Powyżej bariery potencjału gradient krzywej VF i IF jest w dużej mierze zależny od rezystancji objętościowej diody, ale zazwyczaj jest bardzo stromy, jak pokazano na przykładzie diody BAS21H firmy Nexperia (ilustracja 1). Z tego powodu dioda jest często połączona szeregowo z rezystorem w celu zabezpieczenia urządzenia przed nadmiernym prądem.

Ilustracja 1: Charakterystyka zależności VF i IF dla diody przełączającej BAS21H firmy Nexperia. Należy zwrócić uwagę, że przewodzenie dla tej diody Si typu p/n zaczyna się przy napięciu około 0,7V. (Źródło ilustracji: © Nexperia).

Odwrócenie napięcia (VR) skutkuje pojawieniem się odpowiedniego niskiego wstecznego prądu upływu (IR). W niskich temperaturach pracy wartość IR jest nieistotna, ale ponieważ jest zależna od temperatury, przy wysokich temperaturach roboczych może stanowić większy problem. Kiedy wartość VR jest duża, dioda przechodzi w tryb lawinowy i występuje przepływ dużego prądu, często wystarczającego do trwałego uszkodzenia komponentu. Ta wartość progowa napięcia w polaryzacji zaporowej jest znana jako napięcie przebicia (VDROPOUT). W swoich arkuszach danych producenci zwykle podają wartość roboczą szczytowego napięcia w polaryzacji zaporowej (Vrmax), która jest mniejsza od wartości Vbr o margines bezpieczeństwa (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Kluczowe parametry dla krzywej V-I diody typu p/n, w tym napięcie przewodzenia (VF), prąd wsteczny (IR) i napięcie przebicia (Vbr). (Źródło ilustracji: © Wikipedia).

W zastosowaniach przełączeniowych po odwróceniu polaryzacji zaporowej na diodzie nadal znajduje się wystarczający ładunek, aby umożliwić znaczny przepływ prądu w kierunku wstecznym. Ten tak zwany czas regeneracji wstecznej (trr) jest ważnym parametrem projektowym, zwłaszcza w zastosowaniach z wysoką częstotliwością. Zastosowanie dodatkowych domieszek, takich jak złoto lub platyna w półprzewodnikach typu p i n tworzących złącze diodowe radykalnie skraca czas trr. Tak zwane diody szybkie wykorzystujące te materiały mają trr rzędu kilkudziesięciu nanosekund (ns). Kosztem tej szybkości przełączania jest zwiększona wartość Vfa. Może ona zwykle wzrosnąć z 0,7 do 0,9V, co w konsekwencji zmniejsza sprawność. Jednak wartość IR diody szybkiej pozostaje podobna do wartości dla konwencjonalnej diody Si typu p/n.

W praktyce charakterystyka diody pozwala na przepływ dużego prądu tylko w jednym kierunku, blokując ujemną połowę sinusoidalnej fali prądu zmiennego i skutecznie prostując prąd ze źródła napięcia do prądu stałego.