การใช้ไดโอด MPS SiC เพื่อลดการสูญเสียในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดความถี่สูง

วงจรสวิตช์โหมดความถี่สูง เช่น วงจรสำหรับการแก้ไขค่าพสวเวอร์แฟคเตอร์ (PFC) ที่ใช้โหมดการนำไฟฟ้าต่อเนื่อง (CCM) ต้องใช้ไดโอดที่มีการสูญเสียการสวิชต์ต่ำ สำหรับไดโอดซิลิกอน (Si) ทั่วไปในโหมด CCM การสูญเสียการสวิชต์เหล่านี้เป็นผลมาจากกระแสย้อนกลับของไดโอดเนื่องจากประจุที่อยู่ในรอยต่อของไดโอดในระหว่างการปิด การลดการสูญเสียเหล่านี้โดยทั่วไปจะต้องใช้ไดโอด Si ที่มีกระแสฟอร์เวิร์ดเฉลี่ยที่สูงขึ้น ทำให้มีขนาดที่ใหญ่ขึ้นและมีต้นทุนที่สูงขึ้น

ไดโอดซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในวงจร PFC CCM เนื่องจากกระแสย้อนกลับมีลักษณะแบบเก็บประจุเท่านั้น การฉีดพาหะส่วนน้อยที่ลดลงในอุปกรณ์ SiC หมายความว่าการสูญเสียการสวิตช์ของไดโอด SiC จะใกล้ศูนย์ นอกจากนี้ ไดโอด SiC แบบ Merged PIN Schottky (MPS) ยังช่วยลดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมฟอร์เวิร์ดของอุปกรณ์ ซึ่งคล้ายกับไดโอด SiC Schottky ทั่วไป วิธีนี้จะช่วยลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าลงอีก

บทความนี้จะกล่าวถึงความท้าทายในการสวิตช์แบบสูญเสียต่ำในวงจร CCM PFC โดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำตัวอย่างอุปกรณ์ MPS จาก Vishay General Semiconductor – Diodes Division และแสดงให้เห็นถึงวิธีการนำไปใช้เพื่อลดการสูญเสียให้เหลือน้อยที่สุด

ข้อกำหนดการสวิตช์แบบสูญเสียต่ำ

แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ AC/DC ที่มีกำลังไฟเกิน 300 วัตต์ มักใช้ PFC เพื่อช่วยให้เป็นไปตามมาตรฐานสากล เช่น IEC61000-4-3 ซึ่งระบุกำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟและระดับฮาร์มอนิกในไลน์ ไดโอดที่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟ PFC โดยเฉพาะในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งที่ทำงานในความถี่สูง จะต้องสามารถจัดการกับกำลังไฟที่กำหนดของแหล่งจ่ายไฟและการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับการนำไฟฟ้าและการสวิตช์ของวงจรได้ อุปกรณ์ SI มีการสูญเสียแบบย้อนกลับที่เห็นได้ชัด เมื่อไดโอด Si เปลี่ยนจากสถานะนำไฟฟ้าไปเป็นสถานะไม่นำไฟฟ้า ไดโอดจะยังคงนำไฟฟ้าต่อไปในขณะที่ตัวพาประจุออกจากรอยต่อ ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าไหลอย่างมีนัยสำคัญตลอดระยะเวลาการกู้คืนย้อนกลับของไดโอด ซึ่งกลายเป็นการสูญเสียการปิดไดโอด Si

การกู้คืนแบบย้อนกลับของไดโอด Schottky SiC ถูกจำกัดอยู่ที่การคายประจุแบบเก็บประจุ ซึ่งเกิดขึ้นเร็วขึ้น ทำให้กำจัดการสูญเสียจากการปิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไดโอด SiC มีแรงดันตกคร่อมฟอร์เวิร์ดที่สูงกว่า ซึ่งอาจทำให้เกิดการสูญเสียการนำไฟฟ้า แต่สามารถควบคุมการตกได้ ไดโอด SiC ยังมีข้อได้เปรียบคือสามารถจัดการกับช่วงอุณหภูมิที่สูงกว่าและการสวิตช์ที่เร็วขึ้น ช่วงอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานที่มากขึ้น ส่งผลให้แพ็คเกจมีขนาดเล็กลง การสวิตช์ที่เร็วขึ้นเกิดจากโครงสร้าง Schottky และเวลาในการฟื้นตัวย้อนกลับของ SiC ที่สั้นลง การทำงานที่ความถี่การสวิตช์ที่สูงขึ้นส่งผลให้ค่าตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุมีขนาดเล็กลงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงปริมาตรในแหล่งจ่าย

ไดโอด SiC MPS

ไดโอด SiC MPS ผสมผสานคุณสมบัติที่มีประโยชน์ของไดโอด Schottky และไดโอด PIN เข้าด้วยกัน โครงสร้างส่งผลให้ไดโอดสามารถสวิตช์ได้รวดเร็ว แรงดันตกคร่อมในสถานะเปิดต่ำ การรั่วไหลสถานะปิดต่ำ และมีคุณสมบัติอุณหภูมิสูงที่ดี

ไดโอดที่ใช้รอยต่อ Schottky แบบบริสุทธิ์จะให้แรงดันไฟฟ้าฟอร์เวิร์ดต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ก็อาจเกิดปัญหาที่กระแสไฟฟ้าสูง เช่น กระแสไฟกระชากใน PFC บางตัว ไดโอด MPS ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของกระแสไฟกระชากด้วยการฝังในส่วน P-doped ไว้ใต้โซนดริฟท์โลหะของโครงสร้าง Schottky (รูปที่ 1) การกระทำดังกล่าวจะสร้างการสัมผัสแบบ P-ohmic กับโลหะที่ขั้วบวกของไดโอด Schottky และรอยต่อ PN กับดริฟท์ SiC ที่ถูกโด๊ปหรือชั้นเอพิ

รูปที่ 1: แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของไดโอด SiC Schottky (ซ้าย) และ MPS (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Vishay Semiconductor)

ภายใต้สภาวะปกติ โครงสร้าง Schottky ของไดโอด MPS จะนำกระแสไฟฟ้าเกือบทั้งหมด และไดโอดจะมีลักษณะเหมือนไดโอด Schottky โดยมีคุณลักษณะการสวิตช์ที่เกี่ยวข้อง

ในกรณีที่มีกระแสไฟกระชากชั่วขณะสูง แรงดันไฟฟ้าข้ามไดโอด MPS จะเพิ่มขึ้นเกินแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ของไดโอด PN ในตัว ซึ่งเริ่มนำไฟฟ้า ทำให้ความต้านทานในพื้นที่ลดลง การกระทำดังกล่าวจะช่วยเบี่ยงกระแสผ่านบริเวณจุดเชื่อมต่อ PN จำกัดการสูญเสียพลังงาน และลดความเครียดจากความร้อนในไดโอด MPS การเพิ่มขึ้นของสภาพนำไฟฟ้าของโซนดริฟท์ที่กระแสไฟฟ้าสูง ช่วยให้แรงดันไฟฟ้าฟอร์เวิร์ดมีค่าต่ำ

ประสิทธิภาพกระแสไฟกระชากของอุปกรณ์ SiC มาจากลักษณะขั้วเดียวของอุปกรณ์และความต้านทานชั้นดริฟท์ที่ค่อนข้างสูง โครงสร้าง MPS ยังช่วยปรับปรุงพารามิเตอร์ประสิทธิภาพนี้อีกด้วย และตำแหน่งทางเรขาคณิต ขนาด และความเข้มข้นของการโด๊ปของพื้นที่ P-doped จะส่งผลต่อลักษณะขั้นสุดท้าย การลดแรงดันไฟฟ้าฟอร์เวิร์ดเป็นแลกเปลี่ยนกันระหว่างค่ากระแสไฟรั่วและไฟกระชาก

ภายใต้การไบอัสย้อนกลับ ส่วน P-doped จะบังคับให้พื้นที่โดยรวมของความเข้มของสนามสูงสุดเคลื่อนลงและออกจากตัวกั้นโลหะที่มีข้อบกพร่อง และเข้าไปในชั้นดริฟท์ที่แทบไม่มีข้อบกพร่อง ส่งผลให้กระแสไฟรั่วโดยรวมลดลง ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ MPS สามารถทำงานที่แรงดันพังทลายที่สูงขึ้นโดยมีกระแสไฟรั่วและความหนาของชั้นดริฟท์เท่ากัน

โครงสร้าง MPS ของ Vishay ใช้เทคโนโลยีฟิล์มบาง โดยใช้วิธีอบด้วยเลเซอร์เพื่อทำให้ด้านหลังของโครงสร้างไดโอดบางลง ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมฟอร์เวิร์ดได้ 0.3 โวลต์เมื่อเปรียบเทียบกับรุ่นก่อนหน้า นอกจากนี้แรงดันตกคร่อมฟอร์เวิร์ดของไดโอดยังเกือบจะไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบค่าแรงดันแรงดันตกคร่อมฟอร์เวิร์ดระหว่างไดโอด Schottky (เส้นประ) และโครงสร้างไดโอด MPS (เส้นทึบ) แสดงให้เห็นว่าไดโอด MPS รักษาค่าแรงดันตกคร่อมฟอร์เวิร์ดที่สม่ำเสมอมากขึ้นเมื่อกระแสฟอร์เวิร์ดเพิ่มขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Vishay Semiconductors)

กราฟนี้แสดงแรงดันฟอร์เวิร์ดของไดโอดทั้งสองประเภทเป็นฟังก์ชันของกระแสไฟฟ้าฟอร์เวิร์ดโดยมีอุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมฟอร์เวิร์ดสำหรับไดโอด Schottky จะเพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลสำหรับกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า 45 แอมแปร์ (A) ไดโอด MPS ช่วยรักษาแรงดันตกคร่อมฟอร์เวิร์ดที่สม่ำเสมอมากขึ้นด้วยการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าฟอร์เวิร์ด โดยแรงดันไฟฟ้าฟอร์เวิร์ดจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ทำให้ระดับกระแสไฟฟ้าฟอร์เวิร์ดในไดโอด MPS สูงขึ้น

ตัวอย่างไดโอด MPS

ไดโอด SiC MPS ขั้นสูงของ Vishay มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าพีคย้อนกลับ 1,200 โวลต์ พร้อมพิกัดกระแสไฟฟ้าฟอร์เวิร์ด 5 ถึง 40 แอมแปร์ ตัวอย่างเช่น VS-3C05ET12T-M3 (รูปที่ 3) เป็นไดโอดที่ติดตั้งแบบทะลุรูในเคส TO-220-2 และมีพิกัดกระแสไฟฟ้าฟอร์เวิร์ด 5 A พร้อมแรงดันไฟฟ้าฟอร์เวิร์ด 1.5 โวลต์ที่กระแสไฟฟ้าสูงสุด กระแสไฟรั่วย้อนกลับของไดโอดคือ 30 ไมโครแอมแปร์ (mA) และมีพิกัดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อขณะทำงานสูงสุดที่ +175°C

รูปที่ 3: ไดโอด MPS SiC VS-3C05ET12T-M3 มาในแพ็คเกจแบบทะลุรู และมีพิกัดกระแสไฟฟ้าฟอร์เวิร์ด 5 A พร้อมแรงดันไฟฟ้าฟอร์เวิร์ด 1.5 โวลต์ที่กระแสไฟฟ้าสูงสุด (แหล่งที่มาภาพ: Vishay Semiconductor)

ตระกูลไดโอดนี้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่ต้องมีการสวิตช์ความเร็วสูง และมีการทำงานที่มีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง

การใช้งานไดโอด MPS SiC

โดยทั่วไปไดโอด MPS จะถูกนำไปใช้ในวงจรไฟฟ้าแบบสวิตช์โหมดหลากหลาย เช่น ตัวแปลง DC/DC รวมถึงวงจรที่ใช้การเลื่อนเฟสแบบฟูลบริดจ์ (FBPS) และโทโพโลยีตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (LLC) ซึ่งมักพบในการใช้งานโฟโตวอลตาอิกส์ การประยุกต์ใช้ทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือในแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ที่ใช้วงจร PFC

ค่าพาวเวอร์แฟคเตอร์คืออัตราส่วนของกำลังไฟฟ้าจริงต่อกำลังไฟฟ้าปรากฏ และวัดประสิทธิภาพการใช้พลังงานขาเข้าในอุปกรณ์ไฟฟ้า ค่ากำลังงานหนึ่งถือเป็นค่าที่เหมาะสม ค่าปัจจัยกำลังไฟฟ้าที่ต่ำลง หมายความว่า กำลังไฟฟ้าที่ปรากฏจะมีค่ามากกว่ากำลังไฟฟ้าจริง ซึ่งทำให้กระแสที่จำเป็นในการขับเคลื่อนโหลดเฉพาะเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าสูงสุดในโหลดที่มีปัจจัยกำลังไฟฟ้าต่ำยังสามารถทำให้เกิดฮาร์โมนิกบนสายไฟได้ โดยทั่วไปผู้จัดหาพลังงานจะระบุช่วงที่อนุญาตของค่าแฟกเตอร์พลังงานของผู้ใช้ แหล่งจ่ายไฟ AC/DC สามารถออกแบบให้มี PFC รวมอยู่ด้วยได้ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: แสดงให้เห็นตัวอย่างของสเตจ PFC แอ็คทีฟทั่วไปที่ใช้งานในแหล่งจ่ายไฟ AC/DC พร้อมตัวแปลงบูสต์ (แหล่งที่มาภาพ: Vishay Semiconductor)

ในรูปที่ 4 ตัวแปลงกระแสไฟฟ้าแบบบริดจ์ B1 จะแปลงอินพุต AC เป็น DC มอสเฟต Q1 เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปิด "เปิด" และ "ปิด" โดยไอซี PFC (ไม่แสดง) ในขณะที่ มอสเฟต “เปิด” กระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นแบบเป็นเส้นตรง ณ จุดนี้ ไดโอด SiC จะได้รับไบอัสย้อนกลับโดยแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุเอาต์พุต (C_OUT) และการรั่วไหลย้อนกลับที่ต่ำของไดโอด SiC ช่วยลดการสูญเสียการรั่วไหลให้เหลือน้อยที่สุด เมื่อมอสเฟต “ปิด” ตัวเหนี่ยวนำจะส่งกระแสที่ลดลงแบบเชิงเส้นไปที่ C_OUT ผ่านทางไดโอดเรียงกระแสเอาต์พุตแบบไบอัสฟอร์เวิร์ด

ในวงจร CCM PFC กระแสเหนี่ยวนำจะไม่ลดลงเหลือศูนย์ในระหว่างรอบการสวิตช์ทั้งหมด PFC CCM เป็นเรื่องปกติในแหล่งจ่ายไฟที่จ่ายไฟหลายร้อยวัตต์หรือมากกว่า สวิตช์มอสเฟตได้รับการมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) โดยไอซี PFC เพื่อให้ค่าอิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรแหล่งจ่ายไฟปรากฏเป็นค่าต้านทานล้วน ๆ (ค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์เท่ากับหนึ่ง) และอัตราส่วนของค่าพีคต่อกระแสเฉลี่ย หรือค่าแฟกเตอร์สูงสุด จะยังคงอยู่ในระดับต่ำ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: แสดงกระแสไฟฟ้าในขณะนั้นและค่าเฉลี่ยในวงจรเพิ่มแรงดัน PFC ของ CCM (แหล่งที่มาภาพ: Vishay Semiconductor)

กระแสเหนี่ยวนำจะถึงศูนย์และไดโอดจะสวิตช์ไปในสถานะไม่เอนเอียง ต่างจากโหมดการทำงานของกระแสไม่ต่อเนื่องและวิกฤต โดยกระแสเหนี่ยวนำในวงจร CCM จะไม่ลดลงเหลือศูนย์ ดังนั้นเมื่อสวิตช์เปลี่ยนสถานะ กระแสเหนี่ยวนำจะไม่เท่ากับศูนย์ เมื่อไดโอดสวิตช์ไปสู่สถานะย้อนกลับ การกู้คืนแบบย้อนกลับจะส่งผลให้เกิดการสูญเสียอย่างมาก การใช้ไดโอด MPS SiC จะช่วยขจัดการสูญเสียเหล่านั้นได้ การลดลงของการสูญเสียการสวิตช์อันเนื่องมาจากการใช้ไดโอด MPS SiC นำมาซึ่งประโยชน์ในการลดขนาดชิปและต้นทุนสำหรับไดโอดและสวิตช์แอคทีฟ

สรุป

เมื่อเปรียบเทียบกับ Si ไดโอด Schottky MPS SiC ของ Vishay จะมีค่าพิกัดกระแสฟอร์เวิร์ดสูงกว่า แรงดันตกคร่อมฟอร์เวิร์ดที่ต่ำกว่า และการสูญเสียการกู้คืนย้อนกลับที่ลดลง ทั้งหมดนี้มาอยู่ในแพ็คเกจขนาดเล็กกว่าพร้อมค่าพิกัดอุณหภูมิที่สูงกว่า ด้วยเหตุนี้ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานกับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด