面向多種電源應(yīng)用的第二代碳化硅肖特基二極管

功率因數(shù)糾正(PFC)市場在很大程度上是由降低總諧波失真(THD)全球性法規(guī)推動(dòng)的。歐洲的EN61000-3－2是面向AC／DC電源市場的基本法規(guī)之一，在英國、日本和中國也有類似的法規(guī)。EN61000-3-2確定了任何功耗超過75W的離線應(yīng)用的諧波標(biāo)準(zhǔn)。由于北美沒有針對PFC的相應(yīng)法規(guī)，因此節(jié)能和空間／價(jià)格因素成為消費(fèi)、計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域使用PFC電源的推動(dòng)力。

有源PFC應(yīng)用要求

有源PFC有兩種通用模式：利用三角和梯形電流波形的DCM(非連續(xù)電流模式)和CCM(連續(xù)電流模式)。DCM模式通常用于輸出功率在75-300W之間的應(yīng)用；CCM模式通常用于輸出功率大干300W的應(yīng)用。在功率大于250W的情況下，PFC非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因?yàn)樗鼪]有因?yàn)樾侍嵘鴰沓杀镜纳仙?/p>

采用有源PFC是服務(wù)器系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施(SSI)的合規(guī)要求：“電源模塊應(yīng)采用帶有功率因數(shù)糾正特性的通用電源輸入，根據(jù)EN61000－3－2和JEIDAMITI標(biāo)準(zhǔn)降低諧波”。對應(yīng)這種高功率密度應(yīng)用中的寬輸入電壓范圍(85－265V)需求，隨之而來的是面向PFC電源的半導(dǎo)體器件要求：

在85VAC輸入電壓條件下，必須實(shí)現(xiàn)最低的R_dson，因?yàn)閭鲗?dǎo)損耗與輸入電壓成3次方反比。MOSFET的高頻應(yīng)用可大幅度縮小Boost電感。因此，晶體管的快速開關(guān)功能是必須的。Boost二極管應(yīng)具有快速開關(guān)、低Vf和低Q_π特性。低Q_π是通態(tài)下降低MOSFET峰值電流應(yīng)力所不可或缺的。沒有這種特性，Boost電路MOSFET的溫度和R_dson將增加，從而導(dǎo)致更高的功率損耗和更低的效率。效率是高功率密度應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更小尺寸(～30W／cm3inch)和削減無源組件尺寸的關(guān)鍵因素。因此，高開關(guān)頻率是必不可少的。

要實(shí)現(xiàn)效率和尺寸都實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的CCMPFC應(yīng)用，Boost二極管必須額外具有下列特性：更低的反向和正向恢復(fù)電荷、最低的存儲電荷、低泄露電流和最低的開關(guān)損耗?？惯^壓和抗浪涌電流是必須的功能，以便應(yīng)付PFC應(yīng)用中的浪涌電流和過流情況。這些特性只能利用碳化硅肖特基(SiC)二極管才能實(shí)現(xiàn)。

由于碳化硅肖特基二極管沒有正向和反向恢復(fù)電荷，因此可使用更小尺寸的Boost MOSFET，這意味著除了降低成本之外，還可降低器件溫度，實(shí)現(xiàn)SMPS更高的可靠性。

由于碳化硅肖特基二極管的開關(guān)行為取決于正向電流(I_load)、開關(guān)速度(di／dt)和溫度，因此可輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)榫哂凶罡叩拈_關(guān)頻率(高達(dá)1MHz)，碳化硅肖特基二極管可使用更小的無源組件。最低的開關(guān)損耗和低Vf可實(shí)現(xiàn)更小的散熱片或風(fēng)扇。此外，碳化硅肖特基二極管由于具有正溫度系數(shù)，易于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。

性能更好的高壓二極管thinQ!2G

新一代IFX碳化硅肖特基二極管(thinQ！2G)將通用碳化硅肖特基二極管與雙極型pn一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了融合，具有非常強(qiáng)的抗浪涌電流功能和穩(wěn)定的抗過壓特性。

圖1顯示了碳化硅肖特基二極管的結(jié)構(gòu)(參照pn-Schottky二極管)。p區(qū)在發(fā)射極效率和傳導(dǎo)性上進(jìn)行了優(yōu)化，因此在前向電壓超過～4V的情況下可作為浪涌電流通過區(qū)。

改進(jìn)的抗浪涌電流功能

thinQ！2G的抗浪涌電流功能得以改進(jìn)，因此可輕松應(yīng)對過流和沖擊電流情況。圖2顯示了thinQ！2G二極管與普通碳化硅肖特基二極管在正常情況以及高電流條件下的抗浪涌電流能力比較。在正常情況下，thinQ！2G與普通碳化硅肖特基二極管一樣都具有零反向恢復(fù)電荷，在高電流條件下，thinQ！2G的功率損耗大大降低。

由于抗浪涌電流功能的改進(jìn)，因此可實(shí)現(xiàn)針對特定應(yīng)用的低電流二極管。迄今為止，二極管的抗浪涌電流額定值依然是重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。6A thinQ!二極管的抗浪涌電流額定值I_FSM＝21A@10ms，thinQ 12G的額定值則為I_FSM=49A@10ms。

上述額定值是在實(shí)際應(yīng)用中測得的(6AIFX第一代碳化硅肖特基二極管，PFC，寬范圍)，并充分體現(xiàn)了切實(shí)的進(jìn)步：第一代6A碳化硅肖特基二極管可處理啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流情況，但結(jié)溫提高到了50℃。由于肖特基特性，這已經(jīng)接近熱散逸條件(參見圖2)。在正常條件下，可利用功率更低的二極管。

新的4A thinQ！2G可更好地應(yīng)付啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流情況。結(jié)溫僅僅上升到35℃。由于雙極特性，在最大結(jié)溫條件下不會(huì)出現(xiàn)熱散逸情況。thinQ！2G不僅可應(yīng)付正常情況，同時(shí)還可輕松處理異常情況。

穩(wěn)定的抗過壓特性

除了抗浪涌電流功能得以改進(jìn)之外，thinQ！2G還具有雪崩擊穿的能力。這是市場上任何其它碳化硅肖特基二極管所無法做到的。這是通過低電阻和p-island設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，可確保在肖特基兩端電壓到達(dá)毀壞值之前出現(xiàn)雪崩效應(yīng)(參見圖3)。

thinQ！2G穩(wěn)定的抗雪崩和抗過壓特性(得益于正溫度系數(shù))可使電信和服務(wù)器領(lǐng)域的FPC應(yīng)用具有更高的可靠性、抗擾性和堅(jiān)固性。在PFC應(yīng)用的瞬變情況下，過壓將由500－550V(一般情況下為450V)的大型電容器進(jìn)行處理。在這種情況下，thinQ！2G可輕松應(yīng)付過壓情況。改進(jìn)的抗過壓和抗浪涌電流特性將導(dǎo)致二極管具有更低的應(yīng)力和更高的應(yīng)用可靠性。

碳化硅肖特基二極管面向多種電源應(yīng)用

作為器件材料的碳化硅具有獨(dú)特的特性，可生產(chǎn)幾乎具有理想性能特征的升壓二極管，適用于各種FPC電源應(yīng)用。沒有反向恢復(fù)電荷，反向特性與開關(guān)速度、溫度和前向電流無關(guān)等特性可降低PFC應(yīng)用的功率損耗。這對于服務(wù)器和高端PC電源應(yīng)用而言非常重要，因?yàn)樾侍嵘絹碓街匾?，比?0plus這樣的標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，thinQ！2G還具有穩(wěn)定的抗浪涌電流和抗過壓特性?？估擞侩娏鞴δ芸蓪?shí)現(xiàn)更低電流額定值的二極管設(shè)計(jì)，帶來了成本優(yōu)勢。抗過壓特性對于電信和無線基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用環(huán)境苛刻的應(yīng)用而言非常重要。穩(wěn)定的抗過壓和抗浪涌電流特性還可改進(jìn)器件的穩(wěn)定性。

具有最低開關(guān)損耗并可提升效率的碳化硅肖特基二極管還可用于UPS和太陽能轉(zhuǎn)換器這樣的系統(tǒng)中，在這些應(yīng)用中降低損耗將可直接獲得回報(bào)。

面對日益提升的效率目標(biāo)，英飛凌希望碳化硅二極管能切入到更低功率的應(yīng)用場合：也就是需要更高環(huán)境溫度、更高器件溫度和更高可靠性的電源應(yīng)用的需求。