使用 MPS SiC 二極體將高頻切換式電源供應器的損耗降至最低

高頻切換式電路 (如使用連續導通模式 (CCM) 進行功率因數校正 (PFC) 的電路) 需要具有低切換損耗的二極體。在 CCM 模式下，傳統矽 (Si) 二極體的切換損耗導因為在關斷期間二極體接面中儲存電荷所產生的二極體逆向恢復電流。通常需要具有更大平均順向電流的矽二極體，才能將這些損耗降至最低，這會使得實體尺寸更大且成本更高。

CCM PFC 電路中，選用碳化矽 (SiC) 二極體較佳，因為其逆向恢復電流在本質上只具有電容性。在 SiC 元件中，減少少數載子注入代表 SiC 二極體的切換損耗接近零。此外，合併的 PIN 肖特基 (MPS) SiC 二極體可降低元件的順向壓降，使其類似於傳統的 SiC 肖特基二極體，如此便可進一步減少傳導損耗。

本文簡要討論 CCM PFC 電路中低損耗切換的挑戰。接著介紹 Vishay General Semiconductor – Diodes Division 的 MPS 元件範例，並展示如何加以應用，將損耗降至最低。

低損耗切換要求

額定功率超過 300 W 的 AC/DC 切換式電源供應器通常會使用 PFC，協助滿足 IEC61000-4-3 等國際標準，此標準規定無功功率和線路諧波位準。PFC 電源供應器中使用的二極體 (尤其是在高頻下工作的切換式電源供應器) 必須能夠處理供應器的額定功率以及與電路的傳導和切換動作相關的損耗。矽元件具有明顯的逆向恢復損耗。矽二極體從導通狀態切換到非導通狀態時，會在保持導通下將帶電載子從接面處移除。這導致在二極體逆向恢復時間內產生大量電流，成為矽二極體的關斷損耗。

SiC 肖特基二極體的逆向恢復僅限於電容性放電，其發生速度更快，有效消除關斷損耗。SiC 二極體具有較高的順向壓降，這可能會導致傳導損耗，但可控制此壓降。SiC 二極體還能夠處理更高溫度範圍和更快速切換。更高的溫度範圍可達到更高功率密度，以及更小的封裝。其肖特基結構和 SiC 更短的逆向恢復時間能提供更快的切換速度。在更高的切換頻率下操作，會得到更低的電感和電容值，進而提高電源的體積效率。

SiC MPS 二極體

SiC MPS 二極體結合肖特基二極體和 PIN 二極體的實用特性。其結構能讓二極體具有快速切換、低導通壓降、低斷態洩漏和良好的高溫特性。

使用純肖特基接面的二極體可提供最低的順向電壓，但在高電流下會出現問題，例如在某些 PFC 應用中的突波電流。MPS 二極體在肖特基結構的金屬漂移區下方注入 P 摻雜區域，提高突波電流效能 (圖 1)。這會與肖特基二極體陽極處的金屬形成 P 歐姆接觸，並與輕摻雜 SiC 漂移層或外延層形成 P-N 接面。

圖 1：SiC 肖特基 (左) 和 MPS (右) 二極體的結構比較圖。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

在正常情況下，MPS 二極體的肖特基結構幾乎會傳導全部電流，且此二極體的特性類似於肖特基二極體，具有隨之的切換特性。

如果出現高暫態突波電流，MPS 二極體兩端的電壓會增加到超過內建 P-N 二極體的閾值電壓，致使該二極體導通，降低局部電阻。如此將會轉移電流通過 P-N 接面區域，進而限制功耗並降低 MPS 二極體中的熱應力。這會增加漂移區導電性，高電流會讓順向電壓維持在較低值。

SiC 元件的突波電流效能源於元件的單極性質及其相對較高的漂移層電阻。MPS 結構也會改善此效能參數，P 摻雜區域的幾何佈局、尺寸、摻雜濃度會影響最終特性。順向壓降是漏電流和突波電流額定值之間的折衷。

在逆向偏壓下，P 摻雜區域迫使最大電場強度的整體區域向下並遠離有缺陷的金屬阻障層，進入幾乎無缺陷的漂移層，降低整體漏電流。這可讓 MPS 元件在相同的漏電流和漂移層厚度下，以更高的崩潰電壓運作。

Vishay 的 MPS 結構採用薄膜技術，使用雷射退火讓二極體結構的背面更薄，與早期解決方案相比，降低順向壓降達 0.3 V。此外，二極體的順向壓降幾乎與溫度無關 (圖 2)。

圖 2：純肖特基 (虛線) 和 MPS 二極體結構 (實線) 之間的順向壓降比較可見，MPS 二極體保有更一致的穩定性，其順向電壓隨著順向電流的增加而下降。(圖片來源：Vishay Semiconductors)

此圖顯示兩種類型二極體的順向電壓與正向電流的函數關係，並以溫度為參數。電流在高於 45 A 時，純肖特基二極體的順向壓降呈指數增加。隨著順向電流增加，MPS 二極體保持更一致的順向壓降。請注意，對於 MPS 二極體中更高的順向電流位準，順向電壓會隨著溫度的升高而降低。

MPS 二極體範例

Vishay 先進的 SiC MPS 二極體的額定逆向峰值電壓為 1200 V，順向電流額定值為 5 A 至 40 A。以 VS-3C05ET12T-M3 為例 (圖 3)，此二極體在 TO-220-2 外殼中採用通孔安裝，額定順向電流為 5 A，順向電壓在其全額定電流為 1.5 V。此二極體的逆向漏電流為 30 mA，額定最大接面工作溫度為 +175°C。

圖 3：VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS 二極體採用通孔封裝，額定順向電流為 5 A，全額定順向電流順向電壓為 1.5 V。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

此系列二極體是高速硬切換應用的最佳選擇，可在較寬廣的溫度範圍內進行高效率作業。

MPS SiC 二極體應用

MPS 二極體通常用於各種切換式電源電路，例如 DC/DC 轉換器，包括光伏應用中常見的使用全橋相移 (FBPS) 和電感-電感-電容 (LLC) 拓撲的電路。另一個常見的應用是使用 PFC 電路的 AC/DC 電源供應器。

功率因數是有功功率與視在功率之比，用於衡量電氣設備使用輸入功率的效率。理想的功率因數是 1。功率因數較低表示視在功率大於有功功率，這會增加驅動特定負載所需的電流。低功率因數負載中的高峰值電流也會在電源線上產生諧波。電源供應商一般都會規定使用者功率因數的允許範圍。AC/DC 電源供應器的設計可包含 PFC (圖 4)。

圖 4：具有升壓轉換器的 AC/DC 電源供應器中實作的典型主動 PFC 級範例。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

在圖 4 中，橋式整流器 B1 將交流輸入轉換為直流。MOSFET Q1 是一個電子開關，由 PFC IC (未顯示) 進行「導通」和「關閉」。在 MOSFET「導通」時，流經電感的電流以線性增加。此時，SiC 二極體由輸出電容 (C_OUT) 上的電壓逆向偏壓，SiC 二極體的低逆向漏電流可將漏電流損耗降至最低。在 MOSFET「關閉」時，電感會透過順向偏壓的輸出整流二極體向 C_OUT 提供以線性減小的電流。

在 CCM PFC 電路中，電感電流在整個切換週期內不會降至零。CCM PFC 常用於提供數百瓦或更高功率的電源供應器。MOSFET 開關由 PFC IC 進行脈寬調變 (PWM)，使得電源供應器電路的輸入阻抗呈現純電阻性 (功率因數為 1)，並且保持低峰值電流與平均電流比 (峰值因數) (圖 5)。

圖 5：CCM PFC 升壓電路中的瞬時電流和平均電流。(圖片來源：Vishay Semiconductor)

不同於不連續和臨界電流工作模式中電感電流達到零且二極體在無偏壓狀態下切換，CCM 電路的電感電流永遠不會降至零，因此當開關改變狀態時，存在非零電感電流。二極體在切換到逆向狀態時，逆向恢復會明顯增加損耗。使用 MPS SiC 二極體可消除這些損耗。使用 MPS SiC 二極體可降低切換損耗，達到縮減二極體和主動開關的晶片尺寸及降低成本。

結論

相較於矽二極體，Vishay 的 MPS SiC 肖特基二極體具有更高的順向電流額定值、更低的順向壓降、更低的逆向恢復損耗，並且全部採用較小的封裝和具備更高的額定溫度。因此非常適合用於切換式電源供應器設計。