作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

高頻開關模式電路，如采用連續傳導模式 (CCM) 的功率因數校正 (PFC) 電路，需要開關損耗低的二極管。對采用 CCM 模式的傳統硅 (Si) 二極管而言，這些開關損耗來自二極管關斷時二極管結內存儲的電荷產生的反向恢復電流。要將這些損耗降到最低，通常需要一個具有更高平均正向電流的 Si 二極管，但這會導致更大的尺寸和更高的成本。

在 CCM PFC 電路中，碳化硅 (SiC) 二極管是更好的選擇，因其反向恢復電流本質上只是容性電流。減少 SiC 器件中的少數載流子注入意味著 SiC 二極管的開關損耗接近于零。此外，合并 PIN 肖特基 (MPS) SiC 二極管能降低器件的正向壓降，與傳統 SiC 肖特基二極管類似。這會進一步將傳導損耗降至最低。

本文首先簡要討論 CCM PFC 電路中低損耗開關所面臨的挑戰。然后介紹 [Vishay General Semiconductor - Diodes Division] 的一個 MPS 器件示例，并說明如何應用該器件將損耗降至最低。

低損耗開關要求

額定功率超過 300 W 的 AC/DC 開關電源通常借助 PFC 來滿足 IEC61000-4-3 等國際標準，這些標準規定了無功功率和線路諧波水平。PFC 電源中采用的二極管，尤其是工作頻率較高的開關電源中采用的二極管，必須能夠承受電源的額定功率以及與電路的傳導和開關動作相關的損耗。Si 器件具有明顯的反向恢復損耗。當從導電狀態切換到非導電狀態時， Si 二極管會在帶電載流子從結移除的同時，仍保持導電狀態。這會導致在二極管反向恢復時間內產生大量電流，造成 Si 二極管的關斷損耗。

SiC 肖特基二極管的反向恢復僅限于電容放電，而電容放電進展更快，從而有效地消除了關斷損耗。SIC 二極管的正向壓降較高，會造成傳導損耗，但壓降可控。此外，SiC 二極管的溫度范圍更大、開關速度更快。溫度范圍越大，功率密度就越高，從而使封裝越小。更快的開關速度得益于肖特基結構和 SiCk 更短的反向恢復時間。開關頻率越高，電感器和電容器的值就越小，從而提高電源的容積效率。

SiC MPS 二極管

SiC MPS 二極管兼具肖特基二極管和 PIN 二極管的實用功能。這種結構使二極管具有快速開關、低導通壓降、低關斷漏電和良好的高溫特性。

采用純肖特基結的二極管能夠實現盡可能低的正向電壓，但在大電流情況下會出現問題，例如某些 PFC 應用中的浪涌電流。通過在肖特基結構的金屬漂移區下方嵌入 P 摻雜區，MPS 二極管可改善浪涌電流性能（圖 1）。這樣，在肖特基二極管陽極與金屬形成 P 歐姆接觸，并與輕度摻雜的 SiC 漂移或外延層形成 P-N 結。

圖 1：所示為 SiC 肖特基二極管（左）和 MPS 二極管（右）的結構對比。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

正常情況下，MPS 二極管的肖特基結構會傳導幾乎全部電流，二極管的特征與肖特基二極管相似，并具有相應的開關特性。

在高瞬態浪涌電流情況下，MPS 二極管兩端的電壓會升高并超過內置 P-N 二極管的閾值電壓，從而開始導通，降低局部電阻。這會對通過 P-N 結區的電流進行分流，進而限制功率耗散并降低 MPS 二極管上的熱應力。在大電流下情況，漂移區的電導率會增大，使正向電壓保持較低的值。

SiC 器件的浪涌電流性能源于器件的單極性和相對較高的漂移層電阻。MPS 結構也能改善這一性能參數，而摻雜 P 區的幾何位置、大小和摻雜濃度會影響最終特性。正向壓降是漏電流與浪涌電流額定值之間的折衷。

在反向偏壓作用下，摻雜 P 區會迫使整個最大場強區域向下移動，離開有缺陷的金屬隔離層，進入幾乎無缺陷的漂移層，從而降低總漏電流。這使得 MPS 器件能夠在相同漏電流和漂移層厚度的條件下，以更高的擊穿電壓工作。

Vishay 的 MPS 結構采用薄膜技術，通過激光退火減小了二極管結構的背面厚度，與早期解決方案相比，可將正向壓降降低 0.3 V。此外，二極管的正向壓降幾乎與溫度無關（圖 2）。

圖 2：純肖特基二極管（虛線）和 MPS 二極管結構（實線）的正向壓降對比顯示，MPS 二極管在正向電流增大時保持了更一致的正向壓降。（圖片來源：Vishay Semiconductors）

該圖顯示了這兩類二極管以溫度作為參數時的正向電壓與正向電流的函數關系。純肖特基二極管的正向壓降在電流超過 45 A 時呈指數級增長。隨著正向電流的增大，MPS 二極管維持了更一致的正向壓降。請注意，當 MPS 二極管的正向電流較高時，正向電壓會隨著溫度的升高而降低。

MPS 二極管示例

Vishay 先進的 SiC MPS 二極管的額定反向峰值電壓為 1200 V，額定正向電流為 5 A 至 40 A。例如，[VS-3C05ET12T-M3]( （圖 3）是一款采用 TO-220-2 封裝的通孔安裝二極管，額定正向電流為 5 A，滿額定電流時的正向電壓為 1.5 V。二極管的反向漏電流為 30 mA，額定最高工作結溫為 +175°C。

圖 3：VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS 二極管采用通孔封裝，額定正向電流為 5 A，滿額定電流時的正向電壓為 1.5 V。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

該二極管系列是高速硬開關應用的最佳選擇，并且可在寬溫度范圍內高效工作。

MPS SiC 二極管的應用

MPS 二極管通常應用于各種開關模式電源電路，如 DC/DC 轉換器，包括光伏應用中常見的采用全橋相移 (FBPS) 和“電感-電感-電容 (LLC)” 拓撲結構的轉換器。另一種常見的應用是采用 PFC 電路的 AC/DC 電源。

功率因數是有功功率與視在功率之比，用來衡量電氣設備對輸入功率的利用效率。理想的功率因數為 1。功率因數降低意味著視在功率大于有功功率，從而導致驅動特定負載所需的電流增加。低功率因數負載的高峰值電流也會在電力線上產生諧波。電力供應商通常會規定允許的用戶功率因數范圍。AC/DC 電源設計可包含 PFC（圖 4）。

圖 4：所示為在帶有升壓轉換器的 AC/DC 電源中實現的典型有源 PFC 級。（圖片來源：Vishay Semiconductor）

在圖 4 中，橋式整流器 B1 將 AC 輸入轉換為 DC。MOSFET Q1 是一個電子開關，由 PFC IC（未顯示）控制其“導通”和“關斷”。當 MOSFET 處于“導通”狀態時，通過電感器的電流呈線性增長。此時，SiC 二極管被輸出電容器 (C OUT ) 上的電壓反向偏置，而 SiC 二極管的低反向漏電可將漏電損耗降至最低。當 MOSFET“關斷”時，電感器通過正向偏壓輸出整流二極管向 COUT 輸送線性遞減電流。

在 CCM PFC 電路中，電感器電流不會在整個開關周期內降至零。CCM PFC 常見于幾百瓦或更大功率的電源中。PFC IC 對 MOSFET 開關進行脈寬調制 (PWM)，使電源電路的輸入阻抗呈現純電阻狀態（功率因數為 1），并保持較低水平的峰值電流與平均電流之比（即波峰因數）（圖 5）。

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

不連續和臨界電流工作模式下的電感器電流為零，二極管開關切換至無偏置狀態，而 CCM 電路中的電感器電流永遠不會降為零，因此當開關改變狀態時，電感器電流不會降為零。當二極管切換至反向狀態時，反向恢復會大大增加損耗。采用 MPS SiC 二極管可消除這些損耗。采用 MPS SiC 二極管可減少開關損耗，從而縮小芯片尺寸，降低二極管和有源開關的成本。

結束語

與 Si 器件相比，Vishay 的 MPS SiC 肖特基二極管具有更高的額定正向電流、更低的正向壓降和更小的反向恢復損耗，而且封裝更小，額定溫度更高。因此，這些器件非常適用于開關模式電源設計。

審核編輯 黃宇