تعمل صمامات الطاقة الثنائية الرقيقة SiC Schottky على تحسين الأداء في تطبيقات تحويل الطاقة
باستخدام كربيد السيليكون (SiC)، يمكن لثنائيات شوتكي تحسين الكفاءة والأداء مقارنة بثنائيات P/N السيليكون (Si) في تطبيقات تحويل الطاقة. في هذه المقالة، سنسلط الضوء على بعض الميزات والأداء للصمام الثنائي شوتكي PSC1065K SiC 650V الذي تم طرحه حديثًا من شركة Nexperia.
مزايا ثنائيات SiC شوتكي
المزايا الرئيسية لثنائيات SiC Schottky مذكورة أدناه.
- كونها أحادية القطب، لا تعاني ثنائيات شوتكي من الشحنات المخزنة (Qص) التبديد في ظل انتقال التحيز العكسي. تُظهر الثنائيات P/N تأثير الاسترداد العكسي هذا كارتفاع في التيار العكسي (Iص) مما يؤدي إلى فقدان طاقة أعلى ليس فقط في إيقاف تشغيل الصمام الثنائي ولكن أيضًا في الجهاز المجاني الذي يجب أن يحمل هذا Iص التيار عند تشغيله، مما يؤدي إلى زيادة فقدان التشغيل Eعلى. بدلاً من ذلك، يحتاج صمام ثنائي شوتكي فقط إلى تفريغ سعته الذاتية. يمكن أن تكون الشحنة المرتبطة ذات حجم أقل من Qrr في الصمام الثنائي P/N. يمكن أن تكون خسائر الاسترداد العكسية هذه هي الخسارة السائدة، على سبيل المثال، في محول التعزيز. عادةً ما تزداد خسارة الاسترداد العكسي في ثنائيات P/N مع زيادة تردد التبديل، مما يزيد من ميزة صمام ثنائي شوتكي في التطبيقات الصعبة حيث يمكن استخدام معدلات تدفق تتجاوز 100 كيلو فولت/أمريكي وعدة كيلو أمبير/أمريكي. عيب آخر للثنائي P/N في سلوك الاسترداد العكسي هو اعتماده على درجة الحرارة، مما يجعل تحسين الدائرة أمرًا صعبًا. لا تظهر ثنائيات SiC Schottky هذا الاختلاف في الاسترداد العكسي مع درجة الحرارة.
- تعرض ثنائيات SiC Schottky معامل درجة حرارة موجب (PTC) لانخفاض الجهد الأمامي في نطاق محرك التطبيق الحالي العادي. وهذا يجعلها أسهل في التوازي حيث تخلق PTC توازنًا طبيعيًا للتيار وتمنع الانفلات الحراري. من ناحية أخرى، تتمتع الثنائيات Si P/N بمعامل درجة حرارة سلبي، مما يتطلب خفض التصنيف في ظل التشغيل المتوازي أو دوائر إضافية لفرض مشاركة التيار. إن PTC الموجود في صمام ثنائي Schottky يزيد من فقدان التوصيل عند درجات الحرارة المرتفعة. ومع ذلك، فإن ميزة الخسارة الديناميكية عادة ما تعوض هذا بشكل مبالغ فيه.
- يتم تقليل اضطرابات التبديل كثيرًا باستخدام الثنائيات SiC Schottky نظرًا لسلوك إيقاف التشغيل الناعم والسعوي. عادةً ما تكون مرشحات EMI أقل فعالية عند الترددات العالية التي يتم إجراؤها والانبعاثات المشعة التي يمكن أن تنتجها الثنائيات P / N. هناك فائدة أخرى لسلوك الاسترداد الناعم لصمام ثنائي SiC وهو أنه يتسبب في تقليل تجاوز الجهد أثناء انتقال إيقاف التشغيل. قد تتجاوز هذه الارتفاعات في جهد الاسترداد العكسي في بعض الأحيان الفولتية المقدرة وتتسبب في مشكلات الموثوقية. في حين أن الثنائيات السيليكونية سريعة الاسترداد يمكن أن تحتوي على أجهزة صد مضافة عبرها للحد من معدلات الحافة والتذبذبات الرطبة، فإن هذه الأجهزة المضافة تبدد الطاقة، مما يؤثر على كفاءة النظام بشكل عام.
- تُترجم الخسائر المنخفضة باستخدام صمام ثنائي شوتكي إلى كثافة طاقة أعلى في الوحدات الأصغر حجمًا والأخف وزنًا والتي تتطلب تبريدًا أقل.
صمام ثنائي شوتكي المدمج (MPS).
أحد عيوب التوصيل أحادي القطب في ثنائيات شوتكي هو انخفاض معدل التيار المفاجئ مقارنةً بثنائيات Si P/N. يمكن أن تساعد منطقة انجراف المقاومة المنخفضة عن طريق خفض انخفاض الجهد الأمامي ولكن على حساب تيارات التسرب الأعلى في حالة التوقف. تعمل بنية MPS التي تستخدمها Nexperia، كما هو موضح في الشكل 1، على تحسين أداء التدفق مع تقليل تيار التسرب. يتوازي هيكل MPS بشكل فعال مع الصمام الثنائي PN مع الصمام الثنائي شوتكي. يبدأ الصمام الثنائي P/N في العمل عند مقاومة تفاضلية أقل بمجرد وصول جهد التشغيل إلى مستويات التيار الزائد. في ظل الظروف العادية، لا يتم تشغيل الصمام الثنائي P/N، ويهيمن الصمام الثنائي شوتكي. يعمل الصمام الثنائي تقريبًا مثل شوتكي تمامًا في ظل هذه الظروف، والذي يأتي مع ميزة الاسترداد العكسي الموصوفة.
يظهر الشكل 2 منحنيات IV للأمام الثابتة لصمام ثنائي MPS Schottky من Nexperia. يحتوي الصمام الثنائي PSC1065K على تصنيف تيار أمامي IF = 10A والتصنيف الحالي للزيادة Iولايات ميكرونيزيا الموحدة عند 150 درجة مئوية، 10 مللي ثانية حالة نبض موجة نصف جيبية تبلغ 42 أمبير.
كما هو موضح في الشكل 3، فإن استخدام المناطق p أيضًا يدفع بشكل فعال منطقة الحد الأقصى للمجال الكهربائي تحت التحيز العكسي بعيدًا عن ملامسة الأنود، حيث يمكن أن تؤدي العيوب في واجهة أشباه الموصلات المعدنية إلى إنشاء تيارات تسرب عالية. وبالتالي، يمكن لجهاز MPS أن يعمل عند جهد انهيار أعلى مع نفس تيار التسرب وسمك طبقة الانجراف أو مقاومة انجراف أقل (وبالتالي زيادة جهد أمامي أقل مع درجة الحرارة عند مستويات التشغيل والتيار المفاجئ) لجهد انهيار معين.
يتم توضيح مزايا الصمام الثنائي SiC MPS في ظل انتقال إيقاف التشغيل في الشكل 4. يُظهر PSC1065K انتعاشًا سريعًا وغير حساس لدرجة الحرارة والتيار مقارنةً باستجابة الصمام الثنائي Si P / N الموضح هنا للمقارنة.
تعمل أبعاد مناطق البئر p وتعاطيها في هيكل PSC على إنشاء مفاضلة بين انخفاض الجهد الأمامي وقدرة الاندفاع؛ يمكن أن يكون هذا الاختيار محددًا بالتطبيق.
الثنائيات رقيقة SiC
يمكن أن يتراوح سمك الركيزة القياسي لـ SiC من 350 ميكرومتر إلى 500 ميكرومتر. تضيف هذه المنطقة مقاومة كهربائية وحرارية للجهاز. يمكن أن يساعد ترقق الركيزة في تقليل هذا التأثير. وهذا يحتاج إلى قدرة تصنيع متقدمة بسبب صلابة SiC والحاجة إلى ضمان طحن موحد ودقيق. كما هو موضح في الشكل 5، فإن تدفق عملية “SiC الرقيقة” الخاصة بشركة Nexperia يقلل من سمك الركيزة الأصلية بمقدار الثلث تقريبًا. يؤدي هذا إلى تقليل المقاومة الحرارية بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة التشغيل، وزيادة الموثوقية، والعمر، والقدرة على زيادة التيار، وانخفاض الجهد الأمامي المنخفض. يمكن أن يؤدي انخفاض المقاومة الحرارية إلى زيادة القدرة على تبديد الطاقة لدرجة حرارة حالة معينة. ومع ذلك، فإن الانخفاض في السعة الحرارية بسبب التخفيف يجب أن يؤخذ في الاعتبار عند التطبيق.
خاتمة
تتيح الثنائيات SiC Schottky التبديل السريع ومنخفض الخسارة في التطبيقات المستقلة والحرة عند دمجها مع IGBTs أو SiC MOSFETs. تعد كثافة الطاقة الأعلى و/أو التبريد الأبسط، وEMI الأقل، وانخفاض تعقيد النظام مع توفير التكلفة، من بعض المزايا التي يمكن أن تحققها على مستوى النظام. تحتوي سلسلة Nexperia’s PSC1065 من ثنائيات 650 فولت و10 أمبير MPS Thin SiC Schottky على العديد من خيارات الحزم، بما في ذلك TO-220-2، TO-247-2، من خلال الفتحة، بالإضافة إلى خيارات التثبيت على السطح DPAK وD2PAK. تتضمن خريطة الطريق للمستقبل أيضًا تقييمات للأجهزة بقدرة 1200 فولت و20 أمبير.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
