Utilice rectificadores SiGe para un funcionamiento de CA/CC de alta eficiencia en aplicaciones de temperatura elevada

Hasta hace poco, los ingenieros se enfrentaban a dos opciones convencionales para los rectificadores basados en diodos en el corazón de sus fuentes de alimentación CA/CC de conmutación rápida: Rectificadores Schottky o rectificadores de recuperación rápida. Los rectificadores Schottky ofrecen una conmutación de bajas pérdidas y una buena eficiencia, pero están sujetos a escapes térmicos en diseños sometidos a temperaturas elevadas, como los faros LED de los automóviles o las unidades de control electrónico (ECU). Los diodos de recuperación rápida son más estables a altas temperaturas, pero son menos eficientes.

Los rectificadores de germanio de silicio (SiGe) ofrecen una nueva tercera opción y eliminan muchos de los inconvenientes de los otros tipos al combinar las mejores características de los rectificadores Schottky con dispositivos de rápida recuperación. En particular, los rectificadores de SiGe se caracterizan por su gran estabilidad térmica, lo que los convierte en una buena opción para aplicaciones a temperaturas elevadas.

En este artículo se analizan brevemente los fundamentos de los rectificadores y los retos asociados, incluyendo una comparación entre los rectificadores Schottky convencionales y los de recuperación rápida. A continuación, se mostrará cómo una arquitectura de rectificadores de SiGe combina las ventajas de ambos. Utilizando dispositivos de ejemplo de Nexperia, el artículo describirá las características clave de los rectificadores de SiGe y cómo pueden aplicarse los dispositivos de SiGe para resolver los problemas asociados a las aplicaciones de CA/CC de alta temperatura y conmutación rápida.

Los fundamentos de los rectificadores

Los rectificadores son circuitos esenciales para las fuentes de alimentación que se utilizan para convertir una tensión de entrada de CA en una tensión de CC que puede utilizarse para alimentar los componentes electrónicos. Aunque hay muchas topologías (por ejemplo, rectificadores de media onda y de onda completa), los componentes clave de los rectificadores son uno o más diodos.

La forma más sencilla de diodo es una unión p-n de silicio (Si) dopado. Cuando el diodo está polarizado hacia delante (con el terminal positivo de la fuente de alimentación conectado al lado de tipo p del componente y el negativo al lado de tipo n) con una tensión suficiente para superar el "potencial de barrera" inherente al diodo o la caída de tensión hacia delante (que es de unos 0.7 voltios para un diodo de Si), fluye una gran corriente hacia delante (I_F). El I_F sube entonces en proporción al aumento de la tensión (V_F) de la alimentación. Por encima del potencial de barrera, el gradiente de la curva V_F vs. I_F viene determinado en gran medida por la resistencia de masa del diodo, pero suele ser muy pronunciado, como se muestra en el caso del BAS21H de Nexperia (Figura 1). Por esta razón, el diodo suele conectarse en serie con una resistencia para la protección de la sobrecorriente del dispositivo.

Figura 1: Característica V_F vs. I_F del diodo de conmutación BAS21H de Nexperia. Obsérvese cómo la conducción comienza aproximadamente a 0.7 voltios para este diodo de Si de tipo p/n. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Cuando se invierte la tensión (V_R), se produce la correspondiente corriente de fuga inversa (I_R). A bajas temperaturas de funcionamiento, la I_R es insignificante, pero como depende de la temperatura, a altas temperaturas de funcionamiento puede convertirse en un problema mayor. Cuando la V_R es grande, el diodo entra en un modo de avalancha, y fluye una gran corriente, a menudo suficiente para dañar permanentemente el componente. Este umbral de tensión inversa se conoce como tensión de ruptura (V_br). En sus hojas de datos, los fabricantes suelen aconsejar un pico de tensión inversa de trabajo (V_rmax) que es inferior a V_br para permitir un margen de seguridad (Figura 2).

Figura 2: Se muestran los parámetros clave de la curva V-I de un diodo de tipo p/n, incluyendo la tensión directa (V_F), la corriente inversa (I_R) y la tensión de ruptura (V_br). (Fuente de la imagen: Wikipedia)

En una aplicación de conmutación, una vez que se invierte la polarización inversa, todavía hay suficiente carga en el diodo para permitir un flujo de corriente significativo en la dirección inversa. Este llamado tiempo de recuperación inversa (t_rr) es un importante parámetro de diseño, especialmente para aplicaciones de alta frecuencia. El uso de dopantes adicionales, como el oro o el platino, en los semiconductores de tipo p y n que forman la unión del diodo acortan drásticamente la t_rr. Los llamados diodos de recuperación rápida que utilizan estos materiales presentan una t_rr de unas decenas de nanosegundos (ns). La contrapartida de este rendimiento de conmutación rápida es un aumento del V_F; éste puede aumentar normalmente de 0.7 a 0.9 voltios con la consiguiente disminución de la eficiencia. Sin embargo, la I_R de un diodo de recuperación rápida sigue siendo similar a la de un diodo de Si de tipo p/n convencional.

En una aplicación práctica, las características del diodo permiten que una gran corriente fluya en una sola dirección, bloqueando la mitad negativa de la onda sinusoidal de CA, rectificando efectivamente la fuente de tensión a una alimentación de CC.

Retos del diseño térmico

En las aplicaciones de conversión CA/CC, los ingenieros suelen buscar los componentes más eficientes para reducir la disipación de energía y limitar los problemas térmicos.

La V_F es el factor más importante para determinar la eficiencia de un diodo. Los diodos Schottky representan una mejora de los diodos estándar mediante la sustitución de la unión de Si de tipo p y n por una alternativa de Si de tipo metal/n. Como resultado, la caída de tensión hacia delante se reduce a entre 0.15 y 0.45 voltios (dependiendo de la elección del metal de barrera). Una ventaja adicional del diodo Schottky es la gran rapidez de la t_rr (del orden de 100 picosegundos (ps)). Estas características hacen que el Schottky sea una opción popular de rectificador en aplicaciones como las fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia.

Sin embargo, el rectificador Schottky tiene importantes inconvenientes. Por ejemplo, presenta un V_rmax relativamente bajo en comparación con los diodos de Si de tipo p/n. En segundo lugar, y quizás más importante, los rectificadores Schottky presentan una I_R relativamente alta, que puede llegar a ser de cientos de microamperios (µA) en comparación con los cientos de nanoamperios (nA) de los diodos de Si de tipo p/n en aplicaciones comparables. Peor aún, la I_R aumenta exponencialmente con la temperatura de la unión (T_j) (Figura 3).

Figura 3: Característica V_R vs. I_R del diodo Schottky de propósito general 1PS7xSB70 de Nexperia. La I_R suele ser mucho mayor que la de un diodo de Si de tipo p/n equivalente y aumenta exponencialmente con la temperatura. (Fuente de la imagen: Nexperia)

La estabilidad térmica de un rectificador basado en diodos viene determinada por el delicado equilibrio entre el autocalentamiento generado por la I_R y la capacidad del rectificador para disipar el calor a través de la resistencia térmica del sistema (Figura 4). Si el rectificador está en equilibrio térmico, T_j (con una temperatura ambiente fija (T_amb) como "tierra" térmica) puede describirse como

Donde:

R_th(j-a) = La resistencia térmica entre la unión del diodo y el ambiente

P_dissipated = La potencia disipada en el dispositivo

Figura 4: Se muestran las resistencias térmicas presentadas a un diodo operacional. (Fuente de la imagen: Nexperia)

En funcionamiento, siempre que la potencia generada a través del autocalentamiento sea menor que la potencia disipada, la T_j del dispositivo convergerá hacia una condición estable (Figura 5). Sin embargo, si se genera más autocalentamiento del que se puede disipar, la T_j aumenta hasta que el dispositivo acaba siendo térmicamente inestable. La situación se convierte rápidamente en un desbordamiento térmico porque el I_R aumenta exponencialmente con la temperatura, desencadenando efectivamente un bucle de retroalimentación positiva.

Figura 5: El estado de funcionamiento estable de un diodo de ejemplo viene determinado por el equilibrio de: la capacidad del sistema térmico para disipar el calor a través de la resistencia térmica (línea azul (1)), y el autocalentamiento del rectificador causado por su propia corriente de fuga inversa (I_R) (y las pérdidas de conmutación) (línea roja (2)). Obsérvese cómo el autocalentamiento aumenta exponencialmente a medida que la temperatura del sistema se eleva, dando lugar a un desbordamiento térmico. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El diseñador corre un alto riesgo de desbordamiento térmico si un diodo Schottky utilizado en una aplicación está sometido a altas temperaturas ambientales, a menos que su funcionamiento se reduzca significativamente para temperaturas superiores a 145 °C. Por esta razón, los ingenieros tienden a evitar el diodo Schottky en aplicaciones como los controladores de LED de conmutación rápida o las unidades de control electrónico del automóvil. Hasta ahora, esto dejaba al ingeniero sólo con el diodo de recuperación rápida -que tiene una I_R baja y, por tanto, es mucho menos propenso al desbordamiento térmico- con su consiguiente contrapartida de menor eficiencia.

La alternativa del rectificador SiGe

La escasa elección de diodos de recuperación rápida para diseños de alta temperatura y/o alta V_rmax se ha ampliado con la aparición de la tecnología de diodos SiGe que combina las ventajas de los diodos Schottky y de recuperación rápida en un solo dispositivo. Estos rectificadores sustituyen la unión de barrera metálica/unión de Si tipo n de Schottky por una basada en SiGe/Si de tipo n (Figura 6).

Figura 6: El rectificador SiGe sustituye la barrera metálica Schottky por SiGe. El resultado es un bandgap más pequeño, una mayor movilidad de los electrones y una mayor densidad de portadores de carga intrínseca. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El SiGe, como su nombre indica, es una aleación de silicio y germanio; las principales ventajas del semiconductor son un bandgap más pequeño (donde el bandgap es la diferencia de energía en voltios de electrones (eV) entre la banda de valencia y la banda de conducción del semiconductor), la capacidad de conmutar a frecuencias más altas, una mayor movilidad de los electrones y una mayor densidad intrínseca de portadores de carga que el silicio. El menor bandgap del SiGe reduce la V_F de la unión Si/SiGe tipo n a unos 0.75 voltios, unos 150 milivoltios (mV) menos que un diodo de recuperación rápida.

En la práctica, el menor V_F reduce las pérdidas de conducción del diodo en alrededor de un 20% en comparación con un diodo de recuperación rápida. Aunque la eficiencia de los componentes depende de múltiples factores, como el ciclo de trabajo de la aplicación, un ingeniero podría esperar razonablemente una mejora del 5 al 10 por ciento en aplicaciones similares. Además, el diodo SiGe presenta una I_R más baja que la de un diodo Schottky (Figura 7).

Figura 7: Los rectificadores SiGe presentan un I_R más bajo que los dispositivos Schottky (para un funcionamiento superior a alta temperatura) y un V_F más bajo que los rectificadores de recuperación rápida (para una mayor eficiencia). (Fuente de la imagen: Nexperia)

Gracias a la alta densidad de carga intrínseca y a la movilidad electrón/hueco del diodo SiGe, éste presenta una baja t_rr, por lo que es capaz de conmutar rápidamente. Esta rápida conmutación también es posible gracias a una capacitancia e inductancia parásitas relativamente bajas. Además, como el diodo SiGe tiene una carga de recuperación inversa (Q_RR) y una corriente de recuperación inversa (I_RR) menores que un rectificador Schottky comparable, presenta menores pérdidas de conmutación. Esto es fundamental porque, en las aplicaciones de alta frecuencia, estas pérdidas por conmutación contribuyen en gran medida a las pérdidas totales. La combinación de baja I_R y bajas pérdidas de conmutación casi elimina los problemas de desbordamiento térmico.

Selección y aplicación de diodos SiGe

Mientras que los transistores de SiGe llevan varios años en el mercado, los diodos de SiGe son una llegada más reciente. Por ejemplo, los rectificadores SiGe PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX y PMEG120G30ELPJ de Nexperia forman parte de una familia que se presenta en los encapsulados unido por clip FlatPower (CFP3) y CFP5, de tamaño y eficiencia térmica (Figura 8). Este paquete se ha convertido en el estándar de la industria para los diodos de potencia.

Figura 8: El rectificador SiGe PMEG120G10ELRX se presenta en un encapsulado CFP5 que ahorra espacio a la vez que potencia la transferencia de calor. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El clip de cobre sólido del encapsulado minimiza la resistencia térmica para potenciar la transferencia de calor, lo que permite a los diseñadores utilizar diseños de placas de PC más compactos. El CFP3 reduce los requisitos de espacio del rectificador en un 38%, mientras que el CFP5 ahorra hasta un 56%, en comparación con los paquetes SMA y SMB.

A menudo, cuando se introduce una nueva tecnología, los diseñadores deben preocuparse por las variables de aplicación. En el caso de los diodos SiGe de Nexperia, el mismo envase se utiliza también para los diodos Schottky y de recuperación rápida de la empresa, lo que permite la sustitución directa para aplicaciones de alta temperatura, como la iluminación LED, las ECU de automoción, las fuentes de alimentación de servidores y la infraestructura de comunicaciones.

Los rectificadores SiGe ofrecen una V_rmax de hasta 120 voltios (hay versiones de 150 y 200 voltios disponibles para el muestreo), muy por encima del límite de 100 voltios impuesto por la mayoría de los diodos Schottky. Además, los dispositivos han sido probados hasta los 200 °C sin que se produzca ningún desbordamiento térmico o reducción de potencia (Figura 9). Hay que tener en cuenta que el límite de temperatura de funcionamiento de los componentes (zona de funcionamiento seguro (SOA)) de 175 °C está determinado no tanto por el diodo como por el envase del componente. La figura 10 muestra cómo la inmunidad al embalamiento térmico de los diodos SiGe permite ampliar la zona de funcionamiento seguro en comparación con los diodos Schottky.

Figura 9: Los rectificadores SiGe de Nexperia no sufren el desbordamiento térmico de los rectificadores Schottky a altas temperaturas. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Figura 10: La inmunidad al embalamiento térmico permite ampliar la zona de funcionamiento seguro de los rectificadores SiGe en comparación con los rectificadores Schottky. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Los rectificadores SiGe de Nexperia ofrecen capacidades de I_F de 1, 2 y 3 amperios (A) con una I_R baja de 0.2 nA (V_R = 120 voltios (pulsado), T_j = 25 °C), que aumenta a 10 µA a temperaturas elevadas (V_R = 120 voltios (pulsado), T_j = 150 °C). Al igual que los diodos Schottky, los rectificadores son una buena opción para opciones de conmutación rápida con bajas pérdidas de conmutación y un t_rr de 6 ns. Los productos están calificados según la norma AEC-Q101.

Conclusión:

Los rectificadores Schottky son una opción probada para los convertidores de CA/CC eficientes y de alta frecuencia, pero su I_R relativamente alta puede provocar un desbordamiento térmico perjudicial en aplicaciones de alta temperatura. Como resultado, los diseñadores tuvieron que recurrir a diodos de recuperación rápida de menor eficiencia, pero térmicamente estables para sus convertidores de conmutación de alta temperatura.

Sin embargo, como se ha demostrado, la tecnología SiGe probada de los transistores se ha comercializado en los diodos. Esta nueva clase de dispositivos combina la eficiencia y las características de conmutación rápida de los Schottky con la estabilidad térmica de los diodos de recuperación rápida. Por ello, son una buena solución para los diseños que van a entornos de alta temperatura, como la iluminación LED, las ECU de automoción, las fuentes de alimentación de servidores y la infraestructura de comunicaciones.