Uso de diodos MPS SiC para minimizar las pérdidas en fuentes de alimentación de modo de conmutación de alta frecuencia.

Los circuitos de modoco de conmutación de alta frecuencia, como los de corrección de factor de potencia (PFC) que utilizan el modo de conducción continua (CCM), requieren diodos con bajas pérdidas por conmutación. En los diodos de silicio (Si) convencionales en modo CCM, estas pérdidas de conmutación se deben a la corriente inversa de recuperación del diodo debida a la carga almacenada en la unión del diodo durante la desconexión. Para minimizar estas pérdidas suele ser necesario un diodo de Si con una corriente directa media mayor, lo que conlleva un mayor tamaño físico y un costo más elevado.

Un diodo de carburo de silicio (SiC) es una mejor opción en un circuito CCM PFC porque su corriente de recuperación inversa es sólo de naturaleza capacitiva. La menor inyección de portadoras minoritarias en un dispositivo de SiC significa que la pérdida de conmutación de un diodo de SiC es casi nula. Además, los diodos SiC PIN Schottky (MPS) fusionados reducen la caída de voltaje directo del dispositivo, similar a la de un diodo SiC Schottky convencional. Esto minimiza aún más las pérdidas por conducción.

Este artículo aborda brevemente el reto de la conmutación de bajas pérdidas en los circuitos CCM PFC. A continuación, presenta un ejemplo de dispositivo MPS de Vishay General Semiconductor - Diodes Division y muestra cómo puede aplicarse para minimizar las pérdidas.

Requisitos de conmutación de bajas pérdidas

Las fuentes de alimentación de modo de conmutación CA/CC con potencias de más de 300 Vatios suelen utilizar PFC para cumplir normas internacionales como la IEC61000-4-3, que especifica los niveles de potencia reactiva y armónicos de línea. Los diodos utilizados en una fuente de alimentación PFC, especialmente en fuentes de alimentación de conmutación que funcionan a alta frecuencia, deben ser capaces de manejar la potencia nominal de la fuente y las pérdidas relacionadas con las acciones de conducción y conmutación del circuito. Los dispositivos de Si tienen pérdidas notables de recuperación inversa. Cuando un diodo Si pasa de un estado conductor a un estado no conductor, permanece conductor mientras se eliminan los portadores cargados de la unión. Esto da lugar a un flujo de corriente significativo durante el tiempo de recuperación inversa del diodo, que se convierte en la pérdida por desconexión del diodo Si.

La recuperación inversa de los diodos Schottky de SiC se limita a la descarga capacitiva, que se produce con mayor rapidez, lo que elimina eficazmente la pérdida por desconexión. Los diodos SiC tienen una mayor caída de voltaje directo, lo que puede contribuir a las pérdidas de conducción, pero la caída puede controlarse. Los diodos de SiC también tienen la ventaja de poder soportar un mayor rango de temperaturas y conmutar más rápido. El mayor rango de temperatura permite una mayor densidad de potencia, lo que posibilita paquetes más pequeños. La conmutación más rápida se debe a la estructura schottky y al menor tiempo de recuperación inversa del SiC. Al funcionar a frecuencias de conmutación más altas, los valores del inductor y el capacitor son menores, lo que mejora la eficiencia volumétrica del suministro.

El diodo MPS de SiC

El diodo MPS de SiC combina las útiles características de los diodos Schottky y PIN. La estructura da como resultado un diodo con conmutación rápida, una baja caída de voltaje en estado encendido, bajas fugas en estado apagado y buenas características de alta temperatura.

Un diodo que utilice una unión Schottky pura ofrece el voltaje directo más bajo posible, pero está sujeto a problemas a altas corrientes, como las corrientes de sobretensión de algunas aplicaciones PFC. Los diodos MPS mejoran el rendimiento de la corriente de choque implantando zonas dopadas con P bajo la zona de deriva metálica de la estructura Schottky (Figura 1). Esto forma un contacto P-ohmico con el metal en el ánodo del diodo Schottky y una unión P-N con la deriva o epi-capa de SiC ligeramente dopada.

Figura 1: Comparación de las estructuras de los diodos Schottky (izquierda) y MPS (derecha) de SiC. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

En condiciones normales, la estructura Schottky del diodo MPS conduce casi toda la corriente, y el diodo se comporta como un diodo Schottky, con las características de conmutación correspondientes.

En caso de sobrecorriente transitoria elevada, la tensión a través del diodo MPS aumenta por encima de la tensión umbral del diodo P-N incorporado, que comienza a conducir, disminuyendo la resistencia local. Esto desvía la corriente a través de las regiones de unión P-N, limitando la disipación de potencia y reduciendo el estrés térmico en el diodo MPS. Este aumento de la conductividad de la zona de deriva a una corriente elevada mantiene el voltaje directo en un valor bajo.

El rendimiento de la corriente de choque de los dispositivos de SiC se debe a la naturaleza unipolar del dispositivo y a su resistencia relativamente alta a la deriva. La estructura MPS también mejora este parámetro de rendimiento, y la ubicación geométrica, el tamaño y la concentración de dopaje de la zona dopada con P afectan a las características finales. La caída de voltaje directo es un compromiso entre los valores nominales de corriente de fuga y de sobretensión.

Bajo polarización inversa, las regiones dopadas con P fuerzan el área global de máxima intensidad de campo hacia abajo y lejos de la barrera metálica con sus imperfecciones y hacia la capa de deriva casi libre de defectos, reduciendo así la corriente de fuga global. Esto permite que un dispositivo MPS funcione a un voltaje disruptivo más alto con la misma corriente de fuga y grosor de capa de deriva.

La estructura MPS de Vishay utiliza tecnología de película delgada, en la que se emplea el recocido por láser para adelgazar la parte posterior de la estructura del diodo, lo que reduce la caída de voltaje directo en 0.3 voltios en comparación con soluciones anteriores. Además, las caídas de voltaje directo de los diodos son prácticamente independientes de la temperatura (Figura 2).

Figura 2: Una comparación de las caídas de voltaje directo entre el Schottky puro (líneas discontinuas) y una estructura de diodo MPS (líneas continuas) muestra que el diodo MPS mantiene una caída de voltaje directo más consistente con el aumento de la corriente directa. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductors)

Este gráfico muestra el voltaje directo de ambos tipos de diodos en función de la corriente directa con la temperatura como parámetro. Las caídas de voltaje directo de los diodos Schottky puros aumentan exponencialmente para corrientes superiores a 45 amperios (A). El diodo MPS mantiene una caída de voltaje directo más constante con el aumento de la corriente directa. Observe que el voltaje directo disminuye con el aumento de la temperatura para niveles de corriente directa más altos en el diodo MPS.

Ejemplos de diodos MPS

Los avanzados diodos MPS de SiC de Vishay están clasificados para 1200 picos de voltios inversos con valores de corriente directa de 5 a 40 A. Por ejemplo, el VS-3C05ET12T-M3 (figura 3) es un diodo montado a través de orificios en una caja TO-220-2 y está clasificado para una corriente directa de 5 A, con un voltaje directo de 1.5 voltios a su corriente nominal máxima. La corriente de fuga inversa del diodo es de 30 microamperios (mA) y su temperatura máxima de funcionamiento es de +175 °C.

Figura 3: El diodo VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS se presenta en un encapsulado de orificio pasante y está preparado para una corriente directa de 5 A, con un voltaje directo de 1.5 voltios a su corriente nominal máxima. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

Esta familia de diodos es la mejor elección para aplicaciones de conmutación dura a alta velocidad y ofrece un funcionamiento eficaz en un amplio rango de temperaturas.

Aplicaciones del diodo MPS SiC

Los diodos MPS suelen utilizarse en una amplia variedad de circuitos de potencia conmutados, como convertidores de CC/CC, incluidos los que utilizan topologías de desplazamiento de fase de puente completo (FBPS) e inductor-inductor-capacitor (LLC), habituales en aplicaciones fotovoltaicas. Otra aplicación común son las fuentes de alimentación de CA/CC que utilizan circuitos PFC.

El factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la aparente y mide la eficacia con la que se utiliza la potencia entrante en los equipos eléctricos. Lo ideal es un factor de potencia de uno. Un factor de potencia más bajo significa que la potencia aparente es mayor que la potencia activa, lo que provoca un aumento de la corriente necesaria para accionar una carga específica. Las corrientes de pico elevadas en cargas con factores de potencia bajos también pueden causar armónicos en la línea eléctrica. Los proveedores de energía suelen especificar el intervalo admisible del factor de potencia del usuario. Las fuentes de alimentación de CA/CC pueden diseñarse con corrección de factor de potencia (PFC) incluida (Figura 4).

Figura 4: Se muestra un ejemplo de una etapa PFC activa típica implementada en una fuente de alimentación de CA/CC con un convertidor elevador. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

En la figura 4, el rectificador de puente B1 convierte la entrada de CA en CC. El MOSFET Q1 es un interruptor electrónico que se "enciende" y "apaga" mediante un CI de corrección de factor de potencia (PFC) (no se muestra). Mientras el MOSFET está "encendido", la corriente a través del inductor aumenta linealmente. En este punto, el diodo SiC está polarizado inversamente por la tensión del capacitor de salida (C_OUT) y la baja fuga inversa del diodo SiC minimiza la pérdida por fuga. Cuando el MOSFET está "apagado", el inductor suministra una corriente linealmente decreciente a C_OUT a través del diodo rectificador de salida polarizado hacia delante.

En un circuito CCM PFC, la corriente del inductor no cae a cero durante todo el ciclo de conmutación. Los PFC CCM son habituales en fuentes de alimentación que suministran varios cientos de vatios o más. El interruptor MOSFET es modulado por ancho de pulsos (PWM) por el CI PFC para que la impedancia de entrada del circuito de fuente de alimentación parezca puramente resistiva (un factor de potencia de uno) y la relación entre la corriente de pico y la media, el factor de cresta, se mantenga baja (Figura 5).

Figura 5: Se muestran las corrientes instantánea y media en un circuito elevador CCM PFC. (Fuente de la imagen: Vishay Semiconductor)

A diferencia de los modos de funcionamiento discontinuo y de corriente crítica, en los que la corriente del inductor llega a cero y el diodo conmuta en un estado no polarizado, la corriente del inductor en un circuito CCM nunca llega a cero, de modo que cuando el interruptor cambia de estado, hay una corriente del inductor distinta de cero. Cuando el diodo pasa a un estado inverso, la recuperación inversa contribuye significativamente a las pérdidas. El uso de un diodo MPS SiC elimina esas pérdidas. La disminución de la pérdida de conmutación debida al uso del diodo MPS SiC aporta la ventaja de reducir el tamaño del chip y el costo tanto del diodo como del interruptor activo.

Conclusión:

En comparación con el Si, los diodos MPS SiC Schottky de Vishay ofrecen mayores valores nominales de corriente directa, menores caídas de voltaje directo y menores pérdidas de recuperación inversa, todo ello en un encapsulado más pequeño con mayores valores nominales de temperatura. Como tales, son idóneas para su uso en diseños de fuentes de alimentación de modo de conmutación.