采用 MPS SiC 二极管最大程度地降低高频开关模式电源的损耗

来源：Digikey
作者：Art Pini

高频开关模式电路，如采用连续传导模式 (CCM) 的功率因数校正 (PFC) 电路，需要开关损耗低的二极管。对采用 CCM 模式的传统硅 (Si) 二极管而言，这些开关损耗来自二极管关断时二极管结内存储的电荷产生的反向恢复电流。要将这些损耗降到最低，通常需要一个具有更高平均正向电流的 Si 二极管，但这会导致更大的尺寸和更高的成本。

在 CCM PFC 电路中，碳化硅 (SiC) 二极管是更好的选择，因其反向恢复电流本质上只是容性电流。减少 SiC 器件中的少数载流子注入意味着 SiC 二极管的开关损耗接近于零。此外，合并 PIN 肖特基 (MPS) SiC 二极管能降低器件的正向压降，与传统 SiC 肖特基二极管类似。这会进一步将传导损耗降至最低。

本文首先简要讨论 CCM PFC 电路中低损耗开关所面临的挑战。然后介绍 Vishay General Semiconductor - Diodes Division 的一个 MPS 器件示例，并说明如何应用该器件将损耗降至最低。

低损耗开关要求

额定功率超过 300 W 的 AC/DC 开关电源通常借助 PFC 来满足 IEC61000-4-3 等国际标准，这些标准规定了无功功率和线路谐波水平。PFC 电源中采用的二极管，尤其是工作频率较高的开关电源中采用的二极管，必须能够承受电源的额定功率以及与电路的传导和开关动作相关的损耗。Si 器件具有明显的反向恢复损耗。当从导电状态切换到非导电状态时， Si 二极管会在带电载流子从结移除的同时，仍保持导电状态。这会导致在二极管反向恢复时间内产生大量电流，造成 Si 二极管的关断损耗。

SiC 肖特基二极管的反向恢复仅限于电容放电，而电容放电进展更快，从而有效地消除了关断损耗。SIC 二极管的正向压降较高，会造成传导损耗，但压降可控。此外，SiC 二极管的温度范围更大、开关速度更快。温度范围越大，功率密度就越高，从而使封装越小。更快的开关速度得益于肖特基结构和 SiCk 更短的反向恢复时间。开关频率越高，电感器和电容器的值就越小，从而提高电源的容积效率。

SiC MPS 二极管

SiC MPS 二极管兼具肖特基二极管和 PIN 二极管的实用功能。这种结构使二极管具有快速开关、低导通压降、低关断漏电和良好的高温特性。

采用纯肖特基结的二极管能够实现尽可能低的正向电压，但在大电流情况下会出现问题，例如某些 PFC 应用中的浪涌电流。通过在肖特基结构的金属漂移区下方嵌入 P 掺杂区，MPS 二极管可改善浪涌电流性能（图 1）。这样，在肖特基二极管阳极与金属形成 P 欧姆接触，并与轻度掺杂的 SiC 漂移或外延层形成 P-N 结。


图 1：所示为 SiC 肖特基二极管（左）和 MPS 二极管（右）的结构对比。（图片来源：Vishay Semiconductor）

正常情况下，MPS 二极管的肖特基结构会传导几乎全部电流，二极管的特征与肖特基二极管相似，并具有相应的开关特性。

在高瞬态浪涌电流情况下，MPS 二极管两端的电压会升高并超过内置 P-N 二极管的阈值电压，从而开始导通，降低局部电阻。这会对通过 P-N 结区的电流进行分流，进而限制功率耗散并降低 MPS 二极管上的热应力。在大电流下情况，漂移区的电导率会增大，使正向电压保持较低的值。

SiC 器件的浪涌电流性能源于器件的单极性和相对较高的漂移层电阻。MPS 结构也能改善这一性能参数，而掺杂 P 区的几何位置、大小和掺杂浓度会影响最终特性。正向压降是漏电流与浪涌电流额定值之间的折衷。

在反向偏压作用下，掺杂 P 区会迫使整个最大场强区域向下移动，离开有缺陷的金属隔离层，进入几乎无缺陷的漂移层，从而降低总漏电流。这使得 MPS 器件能够在相同漏电流和漂移层厚度的条件下，以更高的击穿电压工作。

Vishay 的 MPS 结构采用薄膜技术，通过激光退火减小了二极管结构的背面厚度，与早期解决方案相比，可将正向压降降低 0.3 V。此外，二极管的正向压降几乎与温度无关（图 2）。


图 2：纯肖特基二极管（虚线）和 MPS 二极管结构（实线）的正向压降对比显示，MPS 二极管在正向电流增大时保持了更一致的正向压降。（图片来源：Vishay Semiconductors）

该图显示了这两类二极管以温度作为参数时的正向电压与正向电流的函数关系。纯肖特基二极管的正向压降在电流超过 45 A 时呈指数级增长。随着正向电流的增大，MPS 二极管维持了更一致的正向压降。请注意，当 MPS 二极管的正向电流较高时，正向电压会随着温度的升高而降低。

MPS 二极管示例

Vishay 先进的 SiC MPS 二极管的额定反向峰值电压为 1200 V，额定正向电流为 5 A 至 40 A。例如，VS-3C05ET12T-M3（图 3）是一款采用 TO-220-2 封装的通孔安装二极管，额定正向电流为 5 A，满额定电流时的正向电压为 1.5 V。二极管的反向漏电流为 30 mA，额定最高工作结温为 +175°C。


图 3：VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS 二极管采用通孔封装，额定正向电流为 5 A，满额定电流时的正向电压为 1.5 V。（图片来源：Vishay Semiconductor）

该二极管系列是高速硬开关应用的最佳选择，并且可在宽温度范围内高效工作。

MPS SiC 二极管的应用

MPS 二极管通常应用于各种开关模式电源电路，如 DC/DC 转换器，包括光伏应用中常见的采用全桥相移 (FBPS) 和“电感-电感-电容 (LLC)” 拓扑结构的转换器。另一种常见的应用是采用 PFC 电路的 AC/DC 电源。

功率因数是有功功率与视在功率之比，用来衡量电气设备对输入功率的利用效率。理想的功率因数为 1。功率因数降低意味着视在功率大于有功功率，从而导致驱动特定负载所需的电流增加。低功率因数负载的高峰值电流也会在电力线上产生谐波。电力供应商通常会规定允许的用户功率因数范围。AC/DC 电源设计可包含 PFC（图 4）。


图 4：所示为在带有升压转换器的 AC/DC 电源中实现的典型有源 PFC 级。（图片来源：Vishay Semiconductor）

在图 4 中，桥式整流器 B1 将 AC 输入转换为 DC。MOSFET Q1 是一个电子开关，由 PFC IC（未显示）控制其“导通”和“关断”。当 MOSFET 处于“导通”状态时，通过电感器的电流呈线性增长。此时，SiC 二极管被输出电容器 (COUT) 上的电压反向偏置，而 SiC 二极管的低反向漏电可将漏电损耗降至最低。当 MOSFET“关断”时，电感器通过正向偏压输出整流二极管向 COUT 输送线性递减电流。

在 CCM PFC 电路中，电感器电流不会在整个开关周期内降至零。CCM PFC 常见于几百瓦或更大功率的电源中。PFC IC 对 MOSFET 开关进行脉宽调制 (PWM)，使电源电路的输入阻抗呈现纯电阻状态（功率因数为 1），并保持较低水平的峰值电流与平均电流之比（即波峰因数）（图 5）。


图 5：所示为 CCM PFC 升压电路中的瞬时电流和平均电流。（图片来源：Vishay Semiconductor）

不连续和临界电流工作模式下的电感器电流为零，二极管开关切换至无偏置状态，而 CCM 电路中的电感器电流永远不会降为零，因此当开关改变状态时，电感器电流不会降为零。当二极管切换至反向状态时，反向恢复会大大增加损耗。采用 MPS SiC 二极管可消除这些损耗。采用 MPS SiC 二极管可减少开关损耗，从而缩小芯片尺寸，降低二极管和有源开关的成本。

结束语

与 Si 器件相比，Vishay 的 MPS SiC 肖特基二极管具有更高的额定正向电流、更低的正向压降和更小的反向恢复损耗，而且封装更小，额定温度更高。因此，这些器件非常适用于开关模式电源设计。