- Технологія Infineon CoolSiC ™ - майбутнє для потужних напівпровідникових приладів
- Формуйте криву ефективності, вибираючи номінальний струм діода
- Менші втрати провідності - знижена температура діода
- Захист діода в ланцюзі PFC від кидка струму
- Діоди Шотткі Infenion CoolSiC ™
- Про компанії Infineon
Шосте покоління випускаються компанією Infineon діодів Шотткі на основі карбіду кремнію - це високий ККД у всьому діапазоні навантажень, підвищення питомої потужності і краще в своєму класі мінімальне падіння напруги. Останнє забезпечує їх більш високу ефективність в ланцюгах підвищують перетворювачів напруги.
Традиційні кремнієві прилади в процесі вдосконалення своїх можливостей досягли фізичних меж. Розсунути ці межі дозволяють нові прилади на основі карбіду кремнію (SiC), які мають цілу низку переваг в порівнянні з чисто кремнієвими аналогами. В останні кілька років рушійними силами розвитку ринку стали енергозбереження, скорочення розмірів, системна інтеграція і підвищення надійності. При цьому відзначається істотний ріст попиту на напівпровідникові прилади на основі карбіду кремнію. Висока ефективність і надійність таких приладів затребувані в інноваційних проектах інтелектуальної та енергозберігаючої електроніки.
Технологія Infineon CoolSiC ™ - майбутнє для потужних напівпровідникових приладів
На основі технології SiC компанія Infineon розробляє сімейство CoolSiC ™, яке сьогодні є одним з найбільш затребуваних в енергозберігаючому обладнанні. У складі цього сімейства є діоди Шотткі, які використовуються в блоках живлення комп'ютерів, серверів, телекомунікаційного обладнання і в інверторних перетворювачах сонячних батарей.
Мал. 1. Діод CoolSiC ™ Schottky 650 V G6
Останнім поповненням сімейства CoolSiC ™ стало шосте покоління приладів, відоме також як G6, яке є результатом цілого ряду удосконалень, досягнутих протягом останніх 17 років. Все почалося в 2001 році, коли Infineon випустив перше покоління діодів з бар'єром Шоттки - сімейство CoolSiC ™. Що з'явилося слідом за ним в 2004 році друге покоління сімейства мало структуру MPS (merged-PiN-Schottky) і мало підвищеної перевантажувальної здатністю по току. У 2009 році компанія представила третє покоління з дифузійної пайкою, яка дозволила знизити тепловий опір «перехід-корпус» (RthJC). У 2012 році була впроваджена технологія з тонкими напівпровідниковими пластинами, а в 2017 році шосте покоління додало нову топологію, нову структуру осередків і нову запатентовану металеву систему Шотткі. Останні удосконалення забезпечують значне підвищення надійності, якості та ефективності в широкому діапазоні навантажень, а також підвищують питому потужність. Діоди CoolSiC ™ 650 V G6 (рисунок 1) мають краще в своєму класі мінімальне пряме падіння напруги.
Розробникам високоефективних і компактних джерел живлення доводиться враховувати різні аспекти проектування. Каскад ККМ (PFC) в перетворювачах AC / DC є одним з тих вузлів, де діоди CoolSiC ™ 650 V G6 можуть реально показати свої переваги при створенні високоефективних компактних джерел живлення.
Infineon провів цілий ряд випробувань з метою порівняння ефективності своїх нових діодів Шотткі G6 c попереднім поколінням G5. В якості тестової платформи була обрана оціночна плата серверного джерела живлення Infineon Platinum® (малюнок 2) з вихідною потужністю 800 Вт при напрузі 380 В DC, вхідній напрузі 90 ... 265 В AC і частоті комутації 65 і 135 кГц.
Мал. 2. Оціночна плата Infenion 800 W Platinum®
Нижче представлені порівняльні результати та переваги використання діодів Шотткі CoolSiC ™ 650 V G6 в підвищують AC / DC-перетворювачів з корекцією коефіцієнта потужності (PFC), а також переваги теплового режиму і рекомендації щодо захисту від пікових перевантажень по струму. Вибрати відповідний діод Шотткі з модельного ряду Infenion 5 і 6 поколінь допоможе зведена таблиця 1 з основними параметрами.
Мале пряме напруга діода CoolSiC ™ G6 забезпечує підвищену ефективність.
Найкраще в своєму класі приладів мале пряме напруга на переході у діодів CoolSiC ™ G6 дозволяє більш ефективно використовувати їх в розширеному діапазоні навантажень. Так, діод IDH06G65C6 має пряме падіння напруги 1,25 В при струмі в 6 A і температурі 25 ° C, тоді як у IDH06G65C5 з покоління G5 при тих же умовах цей показник залишається на рівні 1,5 В.
Таблиця 1. ККД плати Infineon 800 W Platinum® при використанні CoolSiC ™ G6 і G5
Умови ККД при VIN = 115 В AC і Fsw = 65 кГц,% ККД при VIN = 230 В AC і Fsw = 65 кГц,% POUT,% від MAX IDH06G65C6 IDH06G65C5 ΔКПД IDH06G65C6 IDH06G65C5 ΔКПД 20 95,93 95,87 +0,06 97,15 97,07 +0,08 40 96,49 96,46 +0,03 97,85 97,80 +0,05 60 96,38 96, 32 +0,06 98,07 98,01 +0,06 80 96,05 95,98 +0,07 98,11 98,06 +0,05 100 95,57 95,54 +0,03 98,10 98,05 +0,05
Знижений пряме падіння напруги на діодах Шотткі забезпечує їх більш високу ефективність в ланцюгах підвищують перетворювачів напруги. Таблиця 1 і графіки на малюнках 3 і 4 демонструють порівняльну ефективність цих діодів, що працюють в розширеному діапазоні навантажень з різним напругою живлення і з різними частотами комутації.
Мал. 3. Порівняння ККД отладочной плати ККМ на 800 Вт при роботі на частоті 65 кГц для діодів CoolSiC ™ G6 і G5
Мал. 4. Порівняння ККД отладочной плати ККМ на 800 Вт при роботі на частоті 130 кГц для діодів CoolSiC ™ G6 і G5
В якості вихідного рівня відліку була прийнята ефективність демонстраційного джерела живлення Infineon з використанням діодів CoolSiC ™ G5.
Так, застосовувана в процесі випробувань демонстраційна плата серверного джерела живлення Platinum® 800 Вт з корекцією коефіцієнта потужності показала поліпшену в середньому на 0,05% ефективність CoolSiC ™ G6 в порівнянні з попереднім поколінням (CoolSiC ™ G5), що відповідає зниженню потужності втрат на 1 %.
Формуйте криву ефективності, вибираючи номінальний струм діода
Застосовуючи SiC-діоди з різними номінальними струмами, проектувальники підвищують перетворювачів електроживлення мають також можливість формувати криву ефективності в очікуваному діапазоні навантаження.
Для того щоб оцінити вплив типу діода на ефективність каскаду PFC, було проведено випробування плати Platinum® 800 W з різними діодами Шотткі CoolSiC ™ G6. IDH06G65C6 розрахований на номінальний струм (IF) 6 А, тоді як у IDH10G65C6, виконаного в аналогічному корпусі PG-TO220-2, цей показник досягає 10 А.
Таблиця 2. ККД плати Infenion 800 W Platinum® з різними діодами CoolSiC ™ G6 в залежності від величини навантаження і вхідної напруги
Умови ККД при VIN = 115 В AC і Fsw = 65 кГц ККД при VIN = 230 В AC і Fsw = 65 кГц POUT,% від MAX IDH06G65C6 IDH10G65C6 ΔКПД IDH06G65C6 IDH10G65C6 ΔКПД 20% 95,92 95,90 -0,02 97,15 97,11 -0,04 40% 96,49 96,53 +0,04 97,85 97,87 +0,02 60% 96,38 96,42 +0,04 98,07 98,09 +0,02 100% 95,57 95,72 +0,15 98,10 98,16 +0,06
Таблиця 2 містить виміряні значення ККД в разі використання діодів на 6 і 10 А в складі плати, що працює на частоті 65 Гц. Щоб спростити процес і більш ефективно виконати порівняння між різними навантаженнями по току, різниця в ККД для діода на 10 А була обчислена в порівнянні з діодом на 6 А. Малюнок 5 ілюструє порівняльну ефективність діодів IDH06G65C6 (помаранчева лінія) і IDH10G65C6 (зелена лінія), де перший виступає в якості опорного джерела для порівняння.
Мал. 5. Порівняння ККД отладочной плати ККМ на 800 Вт при роботі на частоті 65 кГц для діодів IDH06G65C6 і IDH10G65C6
Різниця в КПД між графіками для низького і високого вхідного напруги обумовлена різними струмами, що протікають по ланцюгу. Для передачі на вихід однакової потужності струм при низькому вхідній напрузі (115 В AC) повинен бути вдвічі більше, ніж при високій напрузі (230 В AC). При високому вхідному напрузі протікає через діод ККМ ток виявляється менше, скорочуючи втрати провідності і забезпечуючи більш високий ККД у широкому діапазоні навантажень. PFC-діод працює, з огляду на це, в різних областях характеристики при прямому зміщенні, що призводить до різної ефективності підвищуючого перетворювача напруги харчування.
Отриманий результат показує, що діод з підвищеним номінальним струмом дозволяє поліпшити ККД, що пов'язано з меншими втратами провідності. У демонстраційній платі заміна діода дозволяє підвищити ефективність до 0,2% при максимальній вихідної потужності, коли діод на 6 А замінюється діодом на 10 А.
З іншого боку, діод зі зниженим номінальним струмом краще працює при малому навантаженні через зниження ємнісного заряду Qc, що дозволяє зменшити втрати при перемиканні.
Баланс між ефективністю при малій і повному навантаженні і різними номінальними струмами ККМ діода дає можливість оптимізувати джерело живлення таким чином, щоб найкращим чином відповідати вимогам ціни і продуктивності.
Менші втрати провідності - знижена температура діода
Діоди Шотткі CoolSiC ™ 650 V G6 забезпечують більш високу ефективність за рахунок знижених втрат потужності, що, в свою чергу, допомагає зберігати на більш низькому рівні температурний режим.
Для того щоб провести порівняння температур переходів між CoolSiC ™ G6 і G5, використовувалися ті ж самі діоди - IDH06G65C6 і IDH06G65C5 - на струм 6 А і з прямим падінням напруги 1,25 і 1,5 В відповідно. Аналіз проводився за допомогою інструменту моделювання PLECS 4.0.4 з точною реалізацією теплових характеристик і механізму формування втрат імітованого пристрою.
На малюнку 6 представлені результати теплового моделювання в описаних умовах. Графік показує різницю в температурі переходу між CoolSiC ™ G6 (червона лінія) і G5 (сіра лінія). Можна бачити, що значення Tj у CoolSiC ™ G6 нижче приблизно на 1 ° C після 100 мкс протікання струму.
Мал. 6. Змодельована температура напівпровідникового переходу при VIN = 90 В AC, FSW = 130 кГц і Pout = 800 Вт
Захист діода в ланцюзі PFC від кидка струму
Для імпульсних підвищують джерел живлення з SiC-діодами Шотткі в ланцюгах PFC важливо передбачити заходи захисту від кидка струму за допомогою шунтирующего діода. Такі кидки можуть з'явитися, наприклад, внаслідок виникнення імпульсів перенапруги у вхідному напрузі.
Обмеження прямого струму через SiC-діод з метою запобігання його виходу з ладу в такому випадку реалізується досить просто - за допомогою біполярного шунтирующего діода, який буде проводити струм лише тоді, коли випрямлена напруга з діодного моста перевищує вихідну напругу. На малюнку 7 показана спрощена схема захисту з використанням шунтирующего діода.
Мал. 7. Захист ланцюга PFC за допомогою шунтирующего біполярного діода
Шунтувальний біполярний діод не створює ніяких додаткових втрат потужності в нормальному робочому режимі, тому що він проводить струм тільки тоді, коли напруга на аноді вище, ніж на катоді.
Діоди Шотткі Infenion CoolSiC ™
У таблиці 3 представлені діоди Шотткі CoolSiC ™ 5 і 6 покоління, що випускаються компанією Infenion в даний час.
Таблиця 3. Діоди CoolSiC ™ Schottky G5 і G6
Продукт Номер замовлення Технологія В DC IF, А VF QC, nC Корпус I (FSM), А IR, мкА CT, пФ D2PAK real 2pin IDK02G65C5 IDK02G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 2 1,5 4 D2PAK
(TO-263-2) 23 0,1 70 IDK03G65C5 IDK03G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 3 1,5 5 D2PAK
(TO-263-2) 31 0,15 100 IDK04G65C5 IDK04G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 4 1,5 7 D2PAK
(TO-263-2) 38 0,2 130 IDK05G65C5 IDK05G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 5 1,5 8 D2PAK
(TO-263-2) 46 0,25 160 IDK06G65C5 IDK06G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 6 1,5 10 D2PAK
(TO-263-2) 54 0,3 190 IDK08G65C5 IDK08G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 8 1,5 13 D2PAK
(TO-263-2) 68 0,4 250 IDK09G65C5 IDK09G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 9 1,5 14 D2PAK
(TO-263-2) 75 0,45 270 IDK10G65C5 IDK10G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 10 1,5 15 D2PAK
(TO-263-2) 82 0,5 300 IDK12G65C5 IDK12G65C5XTMA2 CoolSiC ™ G5 650 12 1,5 18 D2PAK
(TO-263-2) 97 0,65 360 DPAK real 2pin IDM02G120C5 IDM02G120C5XTMA1 CoolSiC ™ G5 1200 2 1,4 14 DPAK
(TO-252-2) 37 1,2 182 IDM05G120C5 IDM05G120C5XTMA1 CoolSiC ™ G5 1200 5 1,5 24 DPAK
(TO-252-2) 59 2,5 301 IDM08G120C5 IDM08G120C5XTMA1 CoolSiC ™ G5 1200 8 1,65 28 DPAK
(TO-252-2) 70 3 365 IDM10G120C5 IDM10G120C5XTMA1 CoolSiC ™ G5 1200 10 1,5 41 DPAK
(TO-252-2) 99 4 525 ThinPAK IDL02G65C5 IDL02G65C5XUMA2 CoolSiC ™ G5 650 2 1,5 4 ThinPAK 8 × 8 21 0,1 70 IDL04G65C5 IDL04G65C5XUMA2 CoolSiC ™ G5 650 4 1,5 7 ThinPAK 8 × 8 29 0,2 130 IDL06G65C5 IDL06G65C5XUMA2 CoolSiC ™ G5 650 6 1,5 10 ThinPAK 8 × 8 36 0,3 190 IDL08G65C5 IDL08G65C5XUMA2 CoolSiC ™ G5 650 8 1,5 13 ThinPAK 8 × 8 43 0,4 250 IDL10G65C5 IDL10G65C5XUMA2 CoolSiC ™ G5 650 10 1,5 15 ThinPAK 8 × 8 50 0,5 300 IDL12G65C5 IDL12G65C5XUMA2 CoolSiC ™ G5 650 12 1,5 18 ThinPAK 8 × 8 57 0,65 360 TO-220 real 2pin IDH02G65C5 IDH02G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 2 1,5 4 TO-220
real 2pin 23 0,1 70 IDH02G120C5 IDH02G120C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 2 1,4 14 TO-220
real 2pin 37 1,2 182 IDH03G65C5 IDH03G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 3 1,5 5 TO-220
real 2pin 31 0,2 100 IDH04G65C5 IDH04G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 4 1,5 7 TO-220
real 2pin 38 0,2 130 IDH04G65C6 IDH04G65C6XKSA1 CoolSiC ™ G6 650 4 1,25 6,9 TO-220
real 2pin 29 0,4 205 IDH05G65C5 IDH05G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 5 1,5 8 TO-220
real 2pin 46 0,3 160 IDH05G120C5 IDH05G120C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 5 1,5 24 TO-220
real 2pin 59 2,5 301 IDH06G65C5 IDH06G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 6 1,5 10 TO-220
real 2pin 54 0,3 190 IDH06G65C6 IDH06G65C6XKSA1 CoolSiC ™ G6 - 6 1,25 9,6 TO-220
real 2pin 38 0,6 302 IDH08G65C5 IDH08G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 8 1,5 13 TO-220
real 2pin 68 0,4 250 IDH08G120C5 IDH08G120C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 8 1,65 28 TO-220
real 2pin 70 3 365 IDH08G65C6 IDH08G65C6XKSA1 CoolSiC ™ G6 650 8 1,25 12,2 TO-220
real 2pin 47 0,8 401 IDH09G65C5 IDH09G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 9 1,5 14 TO-220
real 2pin 75 0,45 270 IDH10G65C5 IDH10G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 10 1,5 15 TO-220
real 2pin 82 0,5 300 IDH10G120C5 IDH10G120C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 10 1,5 41 TO-220
real 2pin 99 4 525 IDH10G65C6 IDH10G65C6XKSA1 CoolSiC ™ G6 650 10 1,25 14,7 TO-220
real 2pin 55 1 495 IDH12G65C5 IDH12G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 12 1,5 18 TO-220
real 2pin 97 0,65 360 IDH12G65C6 IDH12G65C6XKSA1 CoolSiC ™ G6 650 12 1,25 17,1 TO-220
real 2pin 64 1,2 594 IDH16G65C5 IDH16G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 16 1,5 23 TO-220
real 2pin 124 0,85 470 IDH16G120C5 IDH16G120C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 16 1,65 57 TO-220
real 2pin 140 5,5 730 IDH16G65C6 IDH16G65C6XKSA1 CoolSiC ™ G6 650 16 1,25 21,5 TO-220
real 2pin 82 1,6 783 IDH20G65C5 IDH20G65C5XKSA2 CoolSiC ™ G5 650 20 1,5 29 TO-220
real 2pin 142 1,1 590 IDH20G120C5 IDH20G120C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 20 1,5 82 TO-220
real 2pin 198 8,5 1050 IDH20G65C6 IDH20G65C6XKSA1 CoolSiC ™ 6G 650 20 1,25 26,8 TO-220
real 2pin 99 2 970 TO-247 IDW10G65C5 IDW10G65C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 650 10 1,5 15 TO-247 58 0,5 300 IDW10G120C5B IDW10G120C5BFKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 10 1,4 57 TO-247 140 6 730 IDW20G65C5B IDW20G65C5BXKSA2 CoolSiC ™ G5 650 10 1,5 15 TO-247 58 0,5 300 IDW12G65C5 IDW12G65C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 650 12 1,5 18 TO-247 71 0,6 360 IDW24G65C5B IDW24G65C5BXKSA2 CoolSiC ™ G5 650 12 1,5 18 TO-247 71 0,6 360 IDW15G120C5B IDW15G120C5BFKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 15 1,4 82 TO-247 170 8 1050 IDW16G65C5 IDW16G65C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 650 16 1,5 23 TO-247 95 0,8 470 IDW32G65C5B IDW32G65C5BXKSA2 CoolSiC ™ G5 650 16 1,5 23 TO-247 95 0,8 470 IDW20G65C5 IDW20G65C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 650 20 1,5 29 TO-247 103 1,1 590 IDW20G120C5B IDW20G120C5BFKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 20 1,4 106 TO-247 190 12 1368 IDW40G65C5B IDW40G65C5BXKSA2 CoolSiC ™ G5 650 20 1,5 29 TO-247 103 1,1 590 IDW30G65C5 IDW30G65C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 650 30 1,5 42 TO-247 165 1,6 860 IDW30G120C5B IDW30G120C5BFKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 30 1,4 154 TO-247 240 17 1980 IDW40G65C5 IDW40G65C5XKSA1 CoolSiC ™ G5 650 40 1,5 55 TO-247 182 2,2 1140 IDW40G120C5B IDW40G120C5BFKSA1 CoolSiC ™ G5 1200 40 1,4 202 TO-247 290 23 2592
Про компанії Infineon
Компанія Infineon є світовим лідером з виробництва силових напівпровідникових компонентів, а також займає провідні позиції з виробництва автомобільної напівпровідникової електроніки і смарт-карт. У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки. Це поєднання відкриває нові можливості для клієнтів, так як обидві компанії чудово доповнюють один одного завдяки високому рівню ... читати далі