發布日期：2022-04-17 點擊率：49
直到最近，工程師們在快速開關式 AC/DC 電源的核心部件——基于二極管的整流器上還面臨著兩種傳統的選擇：肖特基整流器或快速恢復整流器。肖特基整流器具有低開關損耗和良好的效率，但在像汽車 LED 前燈或電子控制單元 (ECU) 這樣的溫度較高的設計中，會出現熱擊穿。快速恢復二極管在高溫下更穩定，但效率較低。
硅鍺 (SiGe) 整流器提供了新的第三種選擇，通過將肖特基整流器的最佳特性與快速恢復器件結合在一起，消除了其他類型的許多折中處理。尤其是 SiGe 整流器具有高熱穩定性，使之成為高溫應用的絕佳選擇。
本文將簡要討論整流器基礎知識和相關挑戰，并對傳統肖特基和快速恢復整流器進行了比較。然后，說明 SiGe 整流器架構是如何將這兩個優點結合在一起的。最后以來自 Nexperia 的器件為例，略述了 SiGe 整流器的關鍵特性，以及如何運用 SiGe 器件解決高溫、快速開關、AC/DC 應用的相關問題。
整流器是電源的基本電路，它用于將交流輸入電壓轉換為直流電壓供電，然后用于為電子元件供電。雖然有很多拓撲結構（如半波和全波整流器），但整流器的關鍵部件就是一個或多個二極管。
最簡單的二極管形式是摻雜硅 (Si) p-n 結。當二極管通過足夠電壓實現正向偏壓（電源的正極端子連接到元件的 p 型側，負極連接到 n 型側）以克服二極管固有“勢壘電位”或正向壓降（對于硅二極管來說，約為 0.7 伏）時，就會出現很大的正向電流 (IF) 流動。IF 則隨電源電壓 (VF) 的增加而升高。在勢壘電位以上，VF 相對 IF 曲線的梯度主要由二極管的體積電阻決定，但通常非常陡峭，如 Nexperia 的 BAS21H 所示（圖 1）。因此，二極管常與電阻串聯，用于器件過流保護。
圖 1：Nexperia 的 BAS21H 開關二極管的 VF 相對 IF 特性。請注意這種 p/n 型硅二極管是如何在約 0.7 伏時開始導通的。（圖片來源：Nexperia）
當電壓反向 (VR) 時，會出現相應的低反向漏電流 (IR)。在低工作溫度條件下，IR 是微不足道的，但由于它與溫度有關，在較高的工作溫度下，它可能成為一個問題。當 VR 較大時，二極管就會進入雪崩模式，流過的電流很大，往往足以永久損壞元件。這個反向電壓閾值稱為擊穿電壓 (Vbr)。在其規格書中，制造商通常會建議工作峰值反向電壓 (Vrmax) 小于 Vbr，以留出安全裕量（圖 2）。
圖 2：顯示了p/n 型二極管 V-I 曲線的主要參數，包括正向電壓 (VF)、反向電流 (IR) 和擊穿電壓 (Vbr)。（圖片來源：維基百科）
在開關應用中，一旦反向偏置被翻轉，二極管上仍有足夠的電荷，允許大量電流反向流動。這個所謂的反向恢復時間 (trr) 是一個重要的設計參數，特別是對于高頻應用來說。在形成二極管結的 p 型和 n 型半導體中使用額外的摻雜物，如金或鉑，可顯著縮短 trr。使用這些材料的所謂快速恢復二極管特性之一就是 trr 只有幾十納秒 (ns)。這種快速開關性能取舍增加了 VF；通常會從 0.7 伏上升到 0.9 伏，效率也會隨之下降。然而，快速恢復二極管的 IR 仍與傳統的 p/n 型硅二極管相似。
在實際應用中，二極管的特性使得大電流只能向一個方向流動，阻斷了正弦交流波的負半部分，有效地將電壓源整流為直流供電。
在 AC/DC 轉換應用中，工程師們通常會尋找最有效的元件，以減少功率耗散和限制熱問題。
VF 是決定二極管效率的最重要因素。肖特基二極管通過用金屬/n 型硅結構替代 p 型和 n 型硅結，是對標準二極管的改進。因此，正向電壓降降低到 0.15 至 0.45 伏之間（取決于勢壘金屬的選擇）。肖特基二極管的另一個優勢是具有非常快的 trr（約 100 皮秒 (ps) 級）。這些特性使肖特基成為如高頻開關模式電源之類應用的常見整流器選擇。
但肖特基整流器有明顯的缺點。例如，與 p/n 型硅二極管相比，它具有相對較低的 Vrmax。其次，也許更為關鍵，肖特基整流器具有相對較高的 IR，可高達數百微安(μA)，而在同類應用中，p/n 型硅二極管的 IR 僅為數百納安 (nA)。更糟糕的是，IR 隨結溫 (Tj) 呈指數級攀升（圖 3）。
圖 3：Nexperia 1PS7xSB70 通用肖特基二極管的 VR 相對 IR 特性。IR 通常比等效的 p/n 型硅二極管高得多，并且隨著溫度的升高而指數級增加。（圖片來源：Nexperia）
二極管整流器的熱穩定性取決于 IR 所產生自熱的微妙平衡以及整流器通過系統熱阻進行散熱的能力（圖 4）。如果整流器處于熱平衡狀態，則 Tj（以固定環境溫度 (Tamb) 為熱“接地”）可描述為：
其中：
Rth(j-a) = 二極管結與環境之間的熱阻
Pdissipated = 器件的耗散功率
圖 4：所示為工作二極管所呈現的熱阻。（圖片來源：Nexperia）
在運行中，只要自熱產生的功率小于耗散功率，器件的 Tj 就會向穩定狀態收斂（圖 5）。然而，如果產生的自熱超過了可以耗散的量，Tj 就會增加，直到器件最終變得熱不穩定。這種情況很快就變成了熱擊穿，因為 IR 隨著溫度成倍增加，有效地觸發正反饋回路。
圖 5：示例二極管的穩定工作狀態由以下兩方面的平衡決定：熱系統通過熱阻（藍線 (1)）散熱的能力，以及整流器自身的反向漏電流 (IR)（和開關損耗）引起的自熱（紅線 (2)）。請注意自熱是如何隨著系統溫度的升高而成倍增加并導致熱擊穿的。（圖片來源：Nexperia）
如果應用中使用的肖特基二極管受到高環境溫度的影響，設計者將面臨很高的熱擊穿風險，除非其工作在 145°C 以上溫度的風險顯著降低。因此，在快速開關 LED 驅動器或罩下汽車電子控制單元等應用中，工程師們往往避免使用肖特基二極管。到目前為止，工程師們只能選擇快速恢復二極管。這種二極管的特點是 IR 低，因此更不容易出現熱擊穿，但與之相伴的是效率的降低。
對于高溫和/或高 Vrmax 設計來說，快速恢復二極管的選擇范圍較窄，而 SiGe 二極管技術的出現，綜合了肖特基和快速恢復二極管的優點，擴大了選擇范圍。這些整流器將肖特基的勢壘金屬/n 型硅結替換為基于 SiGe/n 型硅結（圖 6）。
圖 6：SiGe 整流器用 SiGe 取代了肖特基金屬勢壘。其結果帶來的是更小的帶隙、更大的電子遷移率和更高的本征電荷載流子密度。（圖片來源：Nexperia）
SiGe，顧名思義，就是硅和鍺的合金；該半導體的主要優點是帶隙較小（帶隙是指半導體價帶和導帶之間的電子伏特 (eV) 的能量差），能夠在更高的頻率下切換，電子遷移率更大，本征電荷載流子密度比硅高。SiGe 較低的帶隙使得 Si/n 型 SiGe 結的 VF 降低到 0.75 伏左右，比快速恢復二極管低 150 毫伏 (mV) 左右。
在實際應用中，與快速恢復二極管相比，較低的 VF 可使二極管的傳導損耗降低 20% 左右。雖然組件效率取決于多種因素，包括應用的占空比，但工程師可合理地期望在同類應用中提高 5% 到 10%。此外，SiGe 二極管具有比肖特基二極管更低的 IR（圖 7）。
圖 7：SiGe 整流器比肖特基器件具有更低的 IR（可實現出色的高溫操作能力），比快速恢復整流器具有更低的 VF（可實現更高的效率）。（圖片來源：Nexperia）
由于 SiGe 二極管具有較高的本征電荷密度和電子/空穴遷移率，因此具有低 trr，所以它能夠進行快速開關。這種快速開關能力也是通過相對較低的寄生電容和電感實現的。此外，由于 SiGe 二極管比同類肖特基整流器具有更低的反向恢復電荷 (QRR) 和更低的反向恢復電流 (IRR)，因此具有更低的開關損耗。這一點至關重要，因為在高頻應用中，這些開關損耗是造成整體損耗的主要因素。低 IR 和低開關損耗的組合近乎完全消除熱擊穿風險。
雖然 SiGe 晶體管已經上市好幾年了，但 SiGe 二極管是最近才出現的。例如，Nexperia 的 PMEG120G10ELRX、PMEG120G20ELRX 和 PMEG120G30ELPJ SiGe 整流器屬于一個家族，采用 Clip-bonded FlatPower (CFP3) 和 CFP5 封裝，減少了尺寸，提高了熱效率（圖 8）。目前這種封裝已經成為功率二極管的行業標準。
圖 8：PMEG120G10ELRX SiGe 整流器采用 CFP5 封裝，在節省空間的同時，也提升了傳熱效率。（圖片來源：Nexperia）
該封裝的實心銅夾最大限度地減少了熱阻，提高了熱傳導，從而使設計人員能夠使用更緊湊的 PC 板設計。與 SMA 和 SMB 封裝相比，CFP3 減少了 38% 的整流器空間需求，而 CFP5 則可節省高達 56% 的空間。
通常在引入一項新技術時，設計者需要關注實現變量。就 Nexperia SiGe 二極管而言，其肖特基和快速恢復二極管也采用了相同的封裝，可以實現高溫應用的即插即用替代，包括 LED 照明、汽車 ECU、服務器電源和通信基礎設施。
SiGe 整流器提供的 Vrmax 最高達 120 伏（150 伏和 200 伏版本可供樣件），遠遠超出了大多數肖特基二極管規定的 100 伏限制。此外，該器件已通過最高 200℃ 的測試，沒有出現任何熱擊穿或降額現象（圖 9）。請注意，該元件的工作溫度極限（安全工作區 (SOA)）為 175° C，與其說是由二極管決定，不如說是由元件封裝決定。圖 10 顯示了與肖特基二極管相比，SiGe 二極管的耐熱擊穿能力如何使安全工作區域得到更大的擴展。
圖 9：Nexperia SiGe 整流器在高溫下不會出現肖特基整流器的熱擊穿現象。（圖片來源：Nexperia）
圖 10：與肖特基整流器相比，耐熱擊穿能力可使 SiGe 整流器的安全工作區域擴大。（圖片來源：Nexperia）
Nexperia SiGe 整流器具有 1、2 和 3 安培 (A) 的 IF 能力，IR 值低至 0.2 nA （VR = 120 伏（脈沖），Tj = 25°C），在高溫（VR = 120 伏（脈沖），Tj = 150°C）下可上升至 10 μA。與肖特基二極管一樣，整流器是快速開關選項的絕佳之選，開關損耗低，trr 為 6 ns。產品符合 AEC-Q101 標準。
肖特基整流器是高效、高頻、AC/DC 轉換器的成熟選擇，但其相對較高的 IR 會在高溫應用中導致破壞性的熱擊穿。因此設計人員不得不在高溫開關轉換器中采用效率較低但熱穩定性較高的快速恢復二極管。
然而，如上所述，采用晶體管上使用的成熟 SiGe 技術已經在二極管中實現了商業化。這類新型器件集肖特基二極管的效率和快速開關特性以及快速恢復二極管的熱穩定性優勢于一體。因此，它們為進入如 LED 照明、汽車 ECU、服務器電源和通信基礎設施之類高溫環境的設計提供了良好的解決方案。
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