使用 SiGe 整流器在溫升應用中達到高效率的 AC/DC 操作

在以往，工程師要挑選快速切換 AC/DC 電源供應器的核心二極體式整流器時，往往只有兩個傳統選項：肖特基整流器或快速恢復整流器肖特基整流器可提供低損耗切換與良好的效率，但在溫度會升高的設計中，會受到熱失控的影響，例如汽車 LED 頭燈或電子控制單元 (ECU)。快速恢復二極體在更高溫度下的穩定性較高，但效率較低。

矽鍺 (SiGe) 整流器是新的第三種選項，不像其他選項要諸多取捨，更結合肖特基整流器與快速恢復元件的最佳特性。特別的是，SiGe 整流器具有高溫穩定性，因此非常適合溫升應用。

本文將概述整流器的基礎知識與相關難題，包括傳統肖特基與快速恢復整流器的比較。接著會介紹 SiGe 整流器的架構如何兼顧兩者優勢。本文也會透過 Nexperia 的範例裝置，概述 SiGe 整流器的關鍵特性，並說明 SiGe 裝置如何用來解決與高溫、快速切換、AC/DC 應用相關的難題。

整流器的基礎知識

整流器是電源供應器的必要電路，電源供應器可將 AC 輸入電壓轉換成 DC 電壓，即可供電給電子元件。即便有多種拓撲選擇 (例如半波與全波整流器)，整流器的關鍵元件是一或多個二極體。

最簡單形式的二極體就是摻雜型矽 (Si) P-N 接面二極體。二極體若順向偏壓 (電源正極端子連接到元件 P 型側，負極接到 N 型側)，且有充足電壓可克服二極體固有的「屏障電位」或順向電壓降 (對矽二極體來說約為 0.7 V)，就會有產生大量順向電流 (I_F)。I_F 接著會隨著電源逐漸提高的電壓 (V_F) 成比例攀升。在屏障電位之上，V_F 與 I_F 曲線之間的坡度主要是由二極體的體電阻而決定，但通常非常陡峭，如 Nexperia 的 BAS21H 所示 (圖 1)。有鑑於此，二極體通常會與電阻串聯，以達到元件過電流防護。

圖 1：Nexperia BAS21H 切換式二極體 V_F 與 I_F 特性之間的關係。請注意此 P/N 型矽二極體在大約 0.7 V 時如何開始導通。(圖片來源： Nexperia)

若電壓逆向 (V_R)，會有對應的低逆向漏電流 (I_R)。在低工作溫度下，I_R 並不明顯，但因為會受溫度影響，在高工作溫度下，就容易引發問題。V_R 較大時，二極體會進入雪崩模式，會產生大電流，通常足以導致元件永久受損。這個逆向電壓臨界值稱為崩潰電壓 (V_br)。製造商通常會在規格書中提供工作峰值逆向電壓 (V_max) 的建議，會比 V_br 低，以提供安全界限 (圖 2)。

圖 2：P/N 型二極體 V-I 曲線的關鍵參數，包括順向電壓 (V_F)、逆電流 (I_R) 與崩潰電壓 (V_br)。(圖片來源：Wikipedia)

在切換式應用中，逆向偏壓翻轉後，二極體上仍會有足夠的電荷，可讓大量電流逆向流動。此稱為逆向恢復時間 (t_rr)，是重要的設計參數之一，特別是在高頻應用。若在行程二極體接面的 P 與 N 型半導體中使用額外的摻雜劑，例如金或白金，會大幅縮短 t_rr 時間。採用這些材料的稱為快速恢復二極體，其 t_rr 僅有數十奈秒 (ns)。快速切換效能的代價是 V_F 會提高；通常會從 0.7 V 提升到 0.9 V，且效率會大幅下降。然而，快速恢復二極體的 I_R 仍類似於傳統 P/N 型矽二極體。

在實際應用中，二極體的特性僅能讓大電流單向流動，會阻擋正弦 AC 波的負極部分，因此能有效將電壓源整流到 DC 電源。

熱設計難題

在 AC/DC 轉換應用中，工程師通常會尋找最有效率的元件來減少功率耗散並限制熱問題。

V_F 是決定二極體效率最重要的因素。肖特基二極體是標準二極體的改良版，用金屬／N 型矽替代方案取代 P 與 N 型矽接面。因此，順向電壓降降低到 0.15 至 0.45 V 之間 (視挑選的屏障金屬而定)。肖特基二極體還有個優勢在於超快速的 t_rr (達 100 皮秒 (ps) 的水準)。這些特性讓肖特基在高頻切換式電源供應器等應用中成為受歡迎的整流器選擇。

但肖特基整流器也有明顯的缺點。舉例來說，相較於 P/N 型矽二極體，其 V_rmax 相對較低。其次，也有可能是更重要的一點，肖特基整流器具有相對較高的 I_R，可以高達數百微安培 (μA)，但 P/N 型矽二極體在類似應用中就只有數百奈安培 (nA)。更糟的是，I_R 會隨著接面溫度 (T_j) 而大幅攀升 (圖 3)。

圖 3：Nexperia 1PS7xSB70 一般用途肖特基二極體的 V_R 與 I_R 特性關係。I_R 通常比起同等 P/N 型矽二極體高出許多，且會隨著溫度而大幅上升。(圖片來源：Nexperia)

二極體式整流器的熱穩定性是由 I_R 產生的自體發熱，以及整流器透過系統熱阻達到的散熱能力，這兩者之間的微妙平衡來決定 (圖 4)。若整流器處於熱平衡，T_j (固定環境溫度 (T_amb) 作為熱「基準」下) 能以下列敘述：

說明：

R_th(j-a) = 二極體接面與環境之間的熱阻

P_dissipated = 裝置中逸散的功率

圖 4：工作中二極體所遭遇的熱阻。(圖片來源：Nexperia)

在工作中，若自體發熱產生的功率低於逸散的功率，裝置的 T_j 會趨往穩定狀態 (圖 5)。然而，若自體發熱量超過逸散量，T_j 會提高直到裝置最終變成熱不穩定狀態。此情況很快會轉變成熱失控，因為 I_R 會隨著溫度大幅提高，會有效觸發正極回授迴路。

圖 5：範例二極體的穩定工作狀態是由以下兩者的平衡來決定：熱系統透過熱阻散熱的能力 (藍線 (1))，以及整流器因本身逆漏電流 (I_R) (及切換損耗) 引起的自體發熱 (紅線 (2))。請注意，自體發熱會隨著系統溫度上生而大量增加，進而導致熱失控。(圖片來源：Nexperia)

若應用中的肖特基二極體會面臨高環境溫度，設計人員需考量熱失控的高風險，除非其操作會在溫度高於 145°C 時明顯降額。有鑑於此，工程師在快速切換 LED 驅動器或汽車引擎蓋下電子控制單元等應用中，會偏向避開肖特基二極體。因此，工程師只剩快速恢復二極體可以考慮，其具有低 I_R，因此較不容易發生熱失控，且要犧牲的效率也明顯較低。

SiGe 整流器替代方案

高溫及／或高 V_rmax 設計用的快速恢復二極體選擇並不多，但在 SiGe 二極體技術問世後，品項就有所擴大，該技術可在單一裝置中兼顧肖特基與快速恢復二極體的優點。這些整流器能以 SiGe/N 型矽接面取代肖特基的屏障金屬／N 型矽接面 (圖 6)。

圖 6：SiGe 整流器用 SiGe 取代肖特基金屬屏障。因此可達到更小的能隙、更高的電子遷移率，以及更高的固有載流子密度。(圖片來源：Nexperia)

SiGe 誠如其名所示，是矽與鍺的合金，其在半導體的關鍵優點包括更小的能隙 (能隙是指半導體價帶與傳導帶之間的電子伏特 (eV) 能量差異)、可在較高頻率下切換、更高電子遷移率、比矽更高的固有載流子密度。SiGe 的較低能隙可將矽／N 型 SiGe 接面的 V_F 降低至大約 0.75 V，約比快速恢復二極體低 150 毫瓦 (mV)。

在實務中，較低的 V_F 可減少二極體的導通損耗，與快速恢復二極體相比約減少 20%。元件效率取決於諸多因素，包括應用的工作週期，因此工程師可合理預期在同等應用中會有 5% 至 10% 的改善。此外，SiGe 二極體具有比肖特基二極體更低的 I_R (圖 7)。

圖 7：SiGe 整流器具有比肖特基元件更低的 I_R (可達到優異的高溫操作)，以及比快速恢復整流器更低的 V_F (可達到更高效率)。(圖片來源：Nexperia)

由於 SiGe 二極體具有高固有電荷密度以及電子／電洞遷移率，更有低 t_rr，因此能快速切換。此快速切換也由相當低的寄生電容量與電感值而促成。此外，因為 SiGe 二極體有比同等肖特基整流器更低的逆向恢復電荷 (Q_RR) 以及更低的逆向恢復電流 (I_RR)，因此可達到更低的切換損耗。這相當重要，因為在高頻應用中，這些切換損耗是促成整體損耗的重要因素。因為有低 I_R 加上低切換損耗，因此幾乎消除熱失控的機率。

SiGe 二極體的挑選與應用

SiGe 電晶體已經問世數年，SiGe 二極體則是比較近期推出的產品。舉例來說，Nexperia 的 PMEG120G10ELRX、PMEG120G20ELRX 與 PMEG120G30ELPJ SiGe 整流器屬於同一個家族，採用優異尺寸與熱效率的 Clip-bond FlatPower (CFP3) 和 CFP5 封裝 (圖 8)。此封裝已成為功率二極體的業界標準。

圖 8：PMEG120G10ELRX SiGe 整流器採用 CFP5 封裝，可節省空間同時增進熱傳遞。(圖片來源：Nexperia)

此封裝的固態銅夾片可將熱阻降至最低，能增進熱傳遞，因此設計人員可使用更緊湊的 PC 板設計。相比於 SMA 及 SMB 封裝，CFP3 可將空間需求減少 38%，CFP5 則節省多達 56%。

通常新技術推出時，設計人員都要考量實作時的變數。以 Nexperia SiGe 二極體為例，相同的封裝也用於該公司的肖特基和快速恢復二極體，因此能在高溫應用中立即取代，包括 LED 照明、車用 ECU、伺服器電源供應器、通訊基礎設施。

SiGe 整流器提供高達 120 V 的 V_rmax (可提供 150 和 200 V 款式樣品)，遠超過肖特基二極體的 100 V 限制。此外，此裝置經過高達 200°C 的測試，沒有任何熱失控或降額情況 (圖 9)。請注意，此元件的工作溫度限制 (安全工作範圍 (SOA)) 為 175°C，只有一小部分取決於二極體，絕大多數取決於元件的封裝。圖 10 顯示 SiGe 二極體的熱失控耐受性如何達到比肖特基二極體更寬廣的延伸安全工作範圍。

圖 9：Nexperia 的 SiGe 整流器不像肖特基整流器一樣會在高溫下發生熱失控。(圖片來源：Nexperia)

圖 10：SiGe 整流器的熱失控耐受性可達到比肖特基整流器更寬廣的安全工作範圍。(圖片來源：Nexperia)

Nexperia 的 SiGe 整流器提供 1、2 與 3 安培 (A) 的 I_F ，具有 0.2 nA 低 I_R (V_R = 120 V (脈衝)、T_j = 25°C)，可在溫升時提高到 10 µA (V_R = 120 V (脈衝)、T_j = 150°C)。此整流器與肖特基二極體一樣，都是快速切換的良好選項，且有低切換損耗及 6 ns 的 t_rr。此產品符合 AEC-Q101 標準。

結論

肖特基整流器經過實證，適用於高效率、高頻的 AC/DC 轉換器，但其相對較高的 I_R，可能會在高溫應用中引起破壞性的熱失控。因此，設計人員必須在高溫切換轉換器中，藉助較低效率但熱穩定的快速恢復二極體。

只是，如本文所述，源自電晶體且經過實證的 SiGe 技術，已經應用在二極體市場上。此新類型的裝置兼具肖特基的效率與快速切換特性，以及快速恢復二極體的熱穩定性。因此，能針對要在高溫環境中使用的設計提供良好的解決方案，例如 LED 照明、車用 ECU、伺服器電源供應器以及通訊基礎設施。