Use diodos MPS de SiC para minimizar as perdas em fontes de alimentação chaveadas em alta frequência

Os circuitos chaveados de alta frequência, como os de correção do fator de potência (PFC) que usam o modo de condução contínua (CCM), exigem diodos que tenham baixas perdas de chaveamento. Para diodos de silício (Si) convencionais no modo CCM, essas perdas de chaveamento resultam da corrente de recuperação reversa do diodo devido à carga armazenada na junção do diodo durante o desligamento. A minimização dessas perdas geralmente requer um diodo de Si com uma corrente direta média maior, o que leva a um tamanho físico maior e a um custo mais alto.

Um diodo de carbeto de silício (SiC) é uma opção melhor em um circuito PFC CCM porque sua corrente de recuperação reversa é apenas capacitiva por natureza. A injeção reduzida de portadores minoritários em um dispositivo de SiC significa que a perda de chaveamento de um diodo de SiC é quase zero. Além disso, os diodos de SiC do tipo Schottky PIN misto (MPS) reduzem a queda de tensão direta do dispositivo, semelhante a um diodo de SiC Schottky convencional. Isso minimiza ainda mais as perdas de condução.

Este artigo discute brevemente o desafio do chaveamento de baixa perda em circuitos PFC CCM. Em seguida, apresenta um exemplo de dispositivo MPS da Vishay General Semiconductor - Divisão de Diodos e mostra como ele pode ser aplicado para minimizar as perdas.

Requisitos de chaveamento de baixa perda

As fontes de alimentação chaveadas CA/CC com potências nominais superiores a 300 watts normalmente usam a PFC para ajudar a atender às normas internacionais, como a IEC61000-4-3, que especifica a potência reativa e os níveis de harmônicos da linha. Os diodos usados em uma fonte de alimentação PFC, especialmente em fontes de alimentação chaveadas que operam em alta frequência, devem ser capazes de suportar a potência nominal da fonte e as perdas relacionadas associadas às ações de condução e chaveamento do circuito. Os dispositivos de Si têm perdas perceptíveis de recuperação reversa. Quando um diodo de Si muda de um estado condutor para um não condutor, ele permanece conduzindo enquanto os portadores de carga são removidos da junção. Isso resulta em um fluxo de corrente significativo durante o tempo de recuperação reversa do diodo, que se torna a perda de desligamento do diodo Si.

A recuperação reversa dos diodos Schottky de SiC é limitada à descarga capacitiva, que ocorre mais rapidamente, eliminando efetivamente a perda de desligamento. Os diodos de SiC têm uma queda de tensão direta maior, o que pode contribuir para as perdas de condução, mas a queda pode ser controlada. Os diodos de SiC também têm a vantagem de serem capazes de lidar com uma faixa de temperatura mais alta e chaveamento mais rápido. A faixa de temperatura mais alta permite maior densidade de potência, possibilitando invólucros menores. O chaveamento mais rápido se deve à estrutura Schottky e ao menor tempo de recuperação reversa do SiC. A operação em frequências de chaveamento mais altas resulta em valores menores de indutor e capacitor para melhorar a eficiência volumétrica da fonte.

O diodo MPS de SiC

O diodo MPS de SiC combina os recursos úteis dos diodos Schottky e PIN. A estrutura resulta em um diodo com chaveamento rápido, baixa queda de tensão no estado de condução, baixa fuga fora no estado desligado e boas características de alta temperatura.

Um diodo que usa uma junção Schottky pura oferece a menor tensão direta possível, mas está sujeito a problemas em altas correntes, como as correntes de surto em algumas aplicações de PFC. Os diodos MPS melhoram o desempenho da corrente de surto implantando áreas dopadas com P abaixo da zona de deriva do metal da estrutura Schottky (Figura 1). Isso forma um contato P ohmico com o metal no ânodo do diodo Schottky e uma junção P-N com a camada de SiC levemente dopada ou epi-camada.

Figura 1: É mostrada uma comparação das estruturas dos diodos Schottky (esquerda) e MPS (direita) de SiC. (Fonte da imagem: Vishay Semiconductor)

Em condições normais, a estrutura Schottky do diodo MPS conduz quase toda a corrente, e o diodo se comporta como um diodo Schottky, com as características de chaveamento correspondentes.

No caso de uma alta corrente de surto transitória, a tensão no diodo MPS aumenta além da tensão limite do diodo P-N incorporado, que começa a conduzir, diminuindo a resistência local. Isso desvia a corrente através das regiões da junção P-N, limitando a dissipação de potência e reduzindo o estresse térmico no diodo MPS. Esse aumento na condutividade da zona de deriva em uma corrente alta mantém a tensão direta em um valor baixo.

O desempenho da corrente de surto dos dispositivos de SiC se deve à natureza unipolar do dispositivo e à sua resistência relativamente alta à camada de deriva. A estrutura MPS também melhora esse parâmetro de desempenho, e o posicionamento geométrico, o tamanho e a concentração de dopagem da área dopada com P afetam as características finais. A queda de tensão direta é um compromisso entre os dimensionamentos da corrente de fuga e de surto.

Sob polarização reversa, as regiões dopadas com P forçam a área geral de intensidade máxima de campo para baixo e para longe da barreira metálica com suas imperfeições e para dentro da camada de deriva quase sem defeitos, reduzindo assim a corrente de fuga total. Isso permite que um dispositivo MPS opere em uma tensão de ruptura mais alta com a mesma corrente de fuga e espessura de camada de deriva.

A estrutura MPS da Vishay usa tecnologia de filme fino, em que o recozimento a laser é usado para afinar a parte traseira da estrutura do diodo, o que reduz a queda de tensão direta em 0,3 volts em comparação com soluções anteriores. Além disso, as quedas de tensão direta dos diodos são praticamente independentes da temperatura (Figura 2).

Figura 2: Uma comparação das quedas de tensão direta entre o Schottky puro (linhas tracejadas) e uma estrutura de diodo MPS (linhas sólidas) mostra que o diodo MPS mantém uma queda de tensão direta mais consistente com o aumento da corrente direta. (Fonte da imagem: Vishay Semiconductors)

Esse gráfico mostra a tensão direta de ambos os tipos de diodos como uma função da corrente direta com a temperatura como parâmetro. As quedas de tensão direta para os diodos Schottky puros aumentam exponencialmente para correntes acima de 45 amperes (A). O diodo MPS mantém uma queda de tensão direta mais consistente com o aumento da corrente direta. Observe que a tensão direta diminui com o aumento da temperatura para níveis mais altos de corrente direta no diodo MPS.

Exemplos de diodos MPS

Os avançados diodos MPS de SiC da Vishay são dimensionados para 1200 volts de pico reverso com dimensionamentos de corrente direta de 5 a 40 A. Por exemplo, o VS-3C05ET12T-M3 (Figura 3) é um diodo montado com um furo passante em um invólucro TO-220-2 e é dimensionado para uma corrente direta de 5 A, com uma tensão direta de 1,5 volts em sua corrente dimensionada máxima. A corrente de fuga reversa do diodo é de 30 microamperes (mA) e ele é dimensionado para uma temperatura operacional máxima na junção de +175°C.

Figura 3: O diodo MPS de SiC VS-3C05ET12T-M3 vem em um invólucro com furo passante e é dimensionado para uma corrente direta de 5 A, com uma tensão direta de 1,5 volts em sua corrente dimensionada máxima. (Fonte da imagem: Vishay Semiconductor)

Essa família de diodos é a melhor opção para aplicações de alta velocidade e de chaveamento duro e oferece operação eficiente em uma ampla faixa de temperatura.

Aplicações de diodos MPS de SiC

Os diodos MPS são normalmente aplicados em uma ampla variedade de circuitos de alimentação chaveados, como conversores CC/CC, incluindo aqueles que usam topologias de deslocamento de fase em ponte completa (FBPS) e indutor-indutor-capacitor (LLC), comumente encontradas em aplicações fotovoltaicas. Outra aplicação comum é em fontes de alimentação CA/CC que utilizam circuitos PFC.

O fator de potência é a relação entre a potência ativa e a potência aparente e mede a eficiência com que a potência de entrada é usada no equipamento elétrico. Um fator de potência de um é o ideal. Um fator de potência mais baixo significa que a potência aparente é maior do que a potência ativa, o que causa um aumento na corrente necessária para acionar uma carga específica. As altas correntes de pico em cargas com baixos fatores de potência também podem causar harmônicos na linha de energia. As concessionárias de energia geralmente especificam a faixa permitida do fator de potência do usuário. As fontes de alimentação CA/CC podem ser projetadas com o PFC incluído (Figura 4).

Figura 4: É mostrado um exemplo de um estágio típico de PFC ativo implementado em uma fonte de alimentação CA/CC com um conversor boost. (Fonte da imagem: Vishay Semiconductor)

Na Figura 4, o retificador em ponte B1 converte a entrada CA em CC. O MOSFET Q1 é uma chave eletrônica que é ligada e desligada por um CI de PFC (não mostrado). Enquanto o MOSFET está "ligado", a corrente através do indutor aumenta linearmente. Nesse ponto, o diodo SiC é submetido à polarização reversa pela tensão no capacitor de saída (C_OUT), e a baixa fuga reversa do diodo SiC minimiza a perda por fuga. Quando o MOSFET está "desligado", o indutor fornece uma corrente linearmente decrescente para C_OUT por meio do diodo retificador de saída com polarização direta.

Em um circuito PFC CCM, a corrente do indutor não cai para zero durante todo o ciclo de chaveamento. Os PFCs CCM são comuns em fontes de alimentação que fornecem várias centenas ou mais de watts. A chave MOSFET é modulada por largura de pulso (PWM) pelo CI PFC, de modo que a impedância de entrada do circuito da fonte de alimentação pareça puramente resistiva (um fator de potência de um) e a relação entre a corrente de pico e a média, o fator de crista, seja mantida baixa (Figura 5).

Figura 5: São mostradas as correntes instantâneas e médias em um circuito boost PFC CCM. (Fonte da imagem: Vishay Semiconductor)

Diferentemente dos modos de operação de corrente crítica e descontínua, em que a corrente do indutor chega a zero e o diodo comuta em um estado sem polarização, a corrente do indutor em um circuito CCM nunca cai para zero, de modo que, quando a chave muda de estado, há uma corrente do indutor diferente de zero. Quando o diodo passa para um estado reverso, a recuperação reversa contribui significativamente para as perdas. O uso de um diodo MPS de SiC elimina essas perdas. A diminuição da perda de chaveamento devido ao uso do diodo MPS de SiC traz a vantagem de reduzir o tamanho do chip e o custo do diodo e da chave ativa.

Conclusão

Em comparação com o Si, os diodos MPS Schottky de SiC da Vishay oferecem dimensionamentos mais elevados de corrente direta, quedas de tensão direta mais baixas e perdas de recuperação reversa reduzidas, tudo em um invólucro menor com dimensionamentos mais altos de temperatura. Dessa forma, eles são adequados para uso em projetos de fontes de alimentação chaveada.