Диоды с барьером Шоттки на основе карбида кремния в корректорах коэффициента мощности

Повышение производительности, достигаемое при использовании высоковольтных
выпрямителей на основе карбида кремния в бустерных преобразователях, может
использоваться для увеличения выходной мощности, частоты коммутации в устройствах
небольших размеров или для повышения их надежности. Диоды Шоттки на основе
карбида кремния компании Cree отлично подходят для повышения производительности,
к тому же с их помощью можно значительно понизить электромагнитные помехи.

Сегодня в силовых источниках питания широ
ко применяется активная коррекция коэффи
циента мощности. Необходимость корректора
коэффициента мощности (ККМ) регламентируется
требованиями по электромагнитной совместимости
ГОСТ Р 51317-2000. КПД и плотность мощности все
чаще доминируют при разработке AC/DC-преобра
зователей. Кроме того, разработчики стремятся ус
корить процесс проектирования и уменьшить воз
можные риски.

На рынке полупроводниковых устройств постоян
но появляются новые разработки, но не всегда понят
но, как и где новинки могут быть полезны в конкрет
ных применениях. Зачастую для реализации преиму
ществ следующего поколения полупроводниковых
устройств требуется полностью переработать суще
ствующую схему, что бывает непростой задачей для
разработчиков.

Несколько лет назад были завершены работы над
созданием мощных полупроводников на основе кар
бида кремния. Диоды с барьером Шоттки стали пер
выми устройствами, использующими новую полу
проводниковую технологию, которая в будущем не
сомненно, найдет применение в различных силовых
полупроводниковых устройствах.

Корректоры коэффициента мощности

При мощностях свыше 200 Вт большинство ККМ
организованы как бустерные преобразователи, ра
ботающие в режиме непрерывной проводимости
(РНП). Не секрет, что преобразователи, работающие
в режиме дискретной проводимости, страдают
от больших амплитудных всплесков тока, так как ин
дукционный ток падает до нуля при каждом цикле
переключения транзистора. На рис. 1 показаны
три основных режима бустерного преобразователя.
Режим непрерывной проводимости не только огра
ничивает скачки тока, но и легче фильтруется.

Наряду с достоинствами использования РНП су
ществуют и некоторые недостатки. Самыми замет
ными из них являются потери, а также возникнове
ние электромагнитных помех при выключении бу
стерного диода.

На рис. 2 изображены графики изменения тока
МОП-транзистора и диода бустерного преобразовате
ля (РНП), используемого в качестве сверхбыстрого вы
соковольтного кремниевого выпрямителя. Ток обрат
ного восстановления диода оказывает влияние на ток
стока транзистора. Этот ток является причиной зна
чительного рассеивания мощности МОП-транзисто
ра наряду с увеличением электромагнитных помех.

Стало очевидным, что ряд участков этой схемы тре
бует модернизации для улучшения КПД. Рассмотрим
схему ККМ, обладающего мощностью 400 Вт, на вход
которого подается переменное напряжение 90 В при
постоянном выходном 400 В. Средний выходной ток
будет равен 1 А, а входной — 4,94 А. Таким образом, среднее значение шунтирующего тока будет рав
няться 3,94 А. Можно сделать вывод, что луч
шим участком для повышения эффективности
может быть или вход преобразователя, или шун
тирующий участок цепи. Повысить эффектив
ность на шунтирующем участке можно заме
ной выходного диода.

Обратимся опять к рис. 2. Мы видим, что
ток восстановления стандартного сверхбыст
рого кремниевого диода порождает большой
всплеск, который должен быть рассеян на шун
тирующем устройстве. Этот всплеск может об
ладать большей амплитудой, чем прямой ток
диода. Кроме того, ток обратного восстанов
ления диода, как и сопротивление транзисто
ра в открытом состоянии, повышается с уве
личением температуры, что может привести
к серьезным отклонениям работы схемы.

серьезным отклонениям работы схемы.
Во избежание подобных условий компания
Cree разработала линию высоковольтных ди
одов с барьером Шоттки на основе карбида
кремния. Доступны модели с диапазоном ра
бочих токов от 1 до 20 А при напряжении
600 В, от 10 до 20 А при 300 В и от 5 до 20 А
при напряжении 1200 В. Линия диодов с ра
бочим напряжением 600 В отлично подходит
для использования в составе ККМ.

Карбид кремния принадлежит к группе по
лупроводниковых материалов с широкой энер
гетической запрещенной зоной. Эта характе
ристика делает его идеальным для создания
высоковольтных диодов Шоттки. Кроме того,
по большей части преимущества диодов на ос
нове карбида кремния с ростом температуры
становятся еще более привлекательными.

Ключевым преимуществом использования
диодов Шоттки на основе карбида кремния
является отсутствие токов восстановления.
Однако карбидокремниевые диоды Шоттки
обладают незначительным током заряда ем
кости перехода. Отсутствие токов восстанов
ления обеспечивает чистые фронты формы
сигнала, уменьшает прогнозируемые потери
и потери при переходных процессах. В устрой
ствах на основе кремниевых диодов часто ис
пользуются демпфирующие устройства для
ограничения токов обратного восстановления
и уменьшения выработки электромагнитных
помех. При использовании диодов Шоттки
компании Cree потребность в них отпадает.

Основная цель, к которой стремятся разра
ботчики источников питания — высокий КПД
конечного устройства. Однако разработчик
должен помнить еще и о стоимости, весе, раз
мерах и высоких электрических характерис
тиках разрабатываемой схемы. Только опти
мизированное проектирование устройства мо
жет помочь решить эти задачи. Кроме того,
оптимизированная разработка снижает тре
бования к используемой системе охлаждения,
что способствует уменьшению размеров, ве
са и соответственно общей стоимости устрой
ства. В качестве альтернативы с помощью по
вышения эффективности можно увеличить
пропускаемую мощность устройства, не ме
няя его схемотехнику.

При использовании диодов на основе кар
бида кремния появляется возможность повысить КПД конечного устройства. Чтобы про
демонстрировать это, был разработан и испы
тан ККМ мощностью 500 Вт. Сначала был из
мерен КПД преобразователя на основе ульт
рабыстых кремниевых диодов, затем на основе
карбидокремниевых диодов Шоттки компа
нии Cree. Преимущества преобразователя с ди
одами на основе карбида кремния были оче
видны. Несмотря на то что повышение КПД
зачастую является главной задачей разработ
ки устройства, полученные преимущества мо
гут быть использованы и в других областях.
Чаще всего полученные преимущества ис
пользуются для повышения частоты комму
тации. Увеличение частоты коммутации спо
собствует уменьшению геометрических раз
меров и веса разрабатываемого источника
питания. Для оценки этой возможности был
разработан и испытан другой преобразова
тель, работающий на более высокой частоте
коммутации.

Таблица 1 показывает основные параметры
описанных выше преобразователей. Схемы
ККМ-преобразователей построены как типич
ные устройства источников питания для про
мышленных применений.

На рис. 3 показаны измеренные параметры
КПД для ККМ с рабочей частотой 80 кГц при
низком уровне входного сигнала. Преобразова
тель был спроектирован для работы в режиме
РНП, амплитуда пульсирующей составляющей
тока составляет 15% от номинального значения
низкого уровня сигнала. Как видно из графика,
применение карбидокремниевых диодов уве
личило КПД на 2%. Это прямой результат
уменьшения тока обратного восстановления,
который в кремниевых диодах растет с увели
чением нагрузки. Для сравнения: ток заряда ем
кости перехода диодов на основе карбида крем
ния не зависит от прямого тока диода.

На рис. 4 приводится сравнение токов об
ратного восстановления диодов. На графике
виден небольшой ток обратного восстановле
ния диода Шоттки на основе карбида кремния
из-за влияния тока заряда емкости перехода.
Специально отметим, что этот ток никак не за
висит от температуры.

Ток обратного восстановления в кремни
евом диоде, как и сопротивление транзисто
ра в открытом состоянии, постоянно растет
с увеличением температуры. Этот рост уве
личивает потери на переключение и вероят
ность теплового пробоя. Также стоит заме
тить, что параметр di/dt тока кремниевого
диода приблизительно равен 1500 А/мкс,
в то время как ток карбидокремниевого ди
ода не зависит от di/dt.

Ранее проводилось изучение влияния пара
метра dV/dt на карбидокремниевые диоды
и опытным путем было показано, что в режиме
одиночных импульсов свыше 55 В/нс отказа ди
одов не избежать. Напротив, рис. 5 показывает
реальные характеристики выпрямителей Zero
Recovery производства Cree, установленных
в разработанный преобразователь. Видно, что
скорость нарастания входного напряжения со
ставляет 67 В/нс. Данный преобразователь ра
ботал на протяжении многих часов, и ни разу не
наблюдалось отказа диодов.

На рис. 6 показаны фронты сигнала при вы
ключении диода Шоттки на основе карбида крем
ния и сверхбыстрого кремниевого диода. Здесь
вы можете наблюдать преимущества отсутствия обратного тока восстановления диода. Диод на
основе карбида кремния генерирует существен
но меньше шумов, что ведет к уменьшению воз
никающих электромагнитных помех.

Рис. 7 отображает рассеивание мощности
МОП-транзистора, вызванное током обратно
го восстановления бустерного диода. Потери
кремниевого диода составили 79,9 мкДж, кото
рые порождали потери общей мощности 6,4 Вт
при частоте 80 кГц и 16 Вт при 200 кГц. Для ди
ода на основе карбида кремния этот параметр
равен 8,0 мкДж, то есть 0,7 Вт при частоте 80 кГц
и 1,75 Вт при 200 кГц. А ведь это почти 90-про
центное уменьшение в потерях при включении!

Работа в высокочастотных режимах

Как было замечено ранее, улучшение эф
фективности можно использовать для созда
ния систем питания, работающих с больши
ми частотами коммутации. Основная задача
разработки осталась та же, что и для устрой
ства на основе кремниевых диодов, однако ча
стота коммутации была увеличена до точки,
где КПД будет таким же, как у схемы на осно
ве кремниевых диодов. Повышение частоты коммутации способствует уменьшению раз
меров катушки бустерного преобразователя,
как, впрочем, и других частотнокоммутируе
мых реактивных компонентов.

Но что может оказаться сюрпризом, так это
возможность уменьшить размеры входного
EMI-фильтра преобразователя. Большинству
EMI-фильтров, используемых в низкочастот
ных схемах ККМ, необходимо наличие допол
нительной дифференциальной индуктивно
сти для обеспечения затухания колебаний ни
же частоты коммутации. Напротив, схемы
с высокими частотами коммутации зачастую
могут использовать индуктивность рассеива
ния синфазной катушки индуктивности для
обеспечения фильтрации частот, которые го
раздо ниже частоты коммутации.

Задача повышения частоты коммутации
до пределов достижения требуемого КПД бы
ла отчасти решена методом проб и ошибок.
Поскольку частота повысилась, бустерный ин
дуктор должен быть заменен, а вместе с ним
и компоненты для обеспечения высокочастот
ной фильтрации. Это, в свою очередь, нано
сит вред эффективности. Цель была достиг
нута, когда КПД разрабатываемого и исходно
го преобразователей стали близки.

На рис. 8 показана фотография конечных
устройств двух ККМ. Как вы можете заметить,
достигнуто значительное уменьшение разме
ров устройства. В таблице 2 приводится спи
сок некоторых основных сравнительных ха
рактеристик низкочастотного и высокочас-
тотного преобразователей. Преобразователь,
работающий на больших частотах, стал
не только меньше по размерам, но и на 44%
легче своего низкочастотного аналога.

Задачей проделанной работы было показать,
что благодаря применению диодов на основе
карбида кремния удалось добиться улучше
ния КПД и повысить частоту коммутации.
Рис. 9 показывает КПД преобразователей, по
строенных на основе кремниевых диодов с ча
стотой коммутации 80 кГц и на основе карби
докремниевых диодов с частотой 200 кГц.

Кривые КПД, показанные на рис. 9, практи
чески соответствуют друг другу, хотя кремни
евый диод более эффективен при небольшой
нагрузке, а диод на основе карбида кремния
имеет преимущества при работе со средними
и высокими нагрузками.

Заключение

Сегодня высокочастотные режимы работы
для DC/DC-преобразователей стали обычным
явлением. Благодаря особенностям карбида
кремния уже сейчас ККМ могут обладать до
полнительными преимуществами при рабо
те в высокочастотном режиме. При достаточ
ной аккуратности разработки схемы и раз
водки печатной платы надежная работа
на повышенных частотах не только резонна, но и позволяет повысить общую производи
тельность системы.

Способность ККМ и последующего DC/DC
преобразователя работать на больших часто
тах дает дополнительные возможности для
согласованного функционирования уст
ройств, которое в свою очередь позволит зна
чительно снизить электромагнитные помехи
и токи пульсаций в высоковольтных конден
саторах.

Литература

1. Stuart Hodge Jr. SiC Schottky diodes in power
   factor correction. Cree Inc.
2. Ranbir Singh, James Richmond. SiC power
   Schottky diodes in power factor correction circuits.