面向多種電源應用的第二代碳化硅肖特基二極管

功率因數糾正(PFC)市場在很大程度上是由降低總諧波失真(THD)全球性法規推動的。歐洲的EN61000-3－2是面向AC／DC電源市場的基本法規之一，在英國、日本和中國也有類似的法規。EN61000-3-2確定了任何功耗超過75W的離線應用的諧波標準。由于北美沒有針對PFC的相應法規，因此節能和空間／價格因素成為消費、計算機和通信領域使用PFC電源的推動力。

有源PFC應用要求

有源PFC有兩種通用模式：利用三角和梯形電流波形的DCM(非連續電流模式)和CCM(連續電流模式)。DCM模式通常用于輸出功率在75-300W之間的應用；CCM模式通常用于輸出功率大干300W的應用。在功率大于250W的情況下，PFC非常經濟實用，因為它沒有因為效率提升而帶來成本的上升。

采用有源PFC是服務器系統基礎設施(SSI)的合規要求：“電源模塊應采用帶有功率因數糾正特性的通用電源輸入，根據EN61000－3－2和JEIDAMITI標準降低諧波”。對應這種高功率密度應用中的寬輸入電壓范圍(85－265V)需求，隨之而來的是面向PFC電源的半導體器件要求：

在85VAC輸入電壓條件下，必須實現最低的R_dson，因為傳導損耗與輸入電壓成3次方反比。MOSFET的高頻應用可大幅度縮小Boost電感。因此，晶體管的快速開關功能是必須的。Boost二極管應具有快速開關、低Vf和低Q_π特性。低Q_π是通態下降低MOSFET峰值電流應力所不可或缺的。沒有這種特性，Boost電路MOSFET的溫度和R_dson將增加，從而導致更高的功率損耗和更低的效率。效率是高功率密度應用實現更小尺寸(～30W／cm3inch)和削減無源組件尺寸的關鍵因素。因此，高開關頻率是必不可少的。

要實現效率和尺寸都實現優化的CCMPFC應用，Boost二極管必須額外具有下列特性：更低的反向和正向恢復電荷、最低的存儲電荷、低泄露電流和最低的開關損耗。抗過壓和抗浪涌電流是必須的功能，以便應付PFC應用中的浪涌電流和過流情況。這些特性只能利用碳化硅肖特基(SiC)二極管才能實現。

由于碳化硅肖特基二極管沒有正向和反向恢復電荷，因此可使用更小尺寸的Boost MOSFET，這意味著除了降低成本之外，還可降低器件溫度，實現SMPS更高的可靠性。

由于碳化硅肖特基二極管的開關行為取決于正向電流(I_load)、開關速度(di／dt)和溫度，因此可輕松進行設計。因為具有最高的開關頻率(高達1MHz)，碳化硅肖特基二極管可使用更小的無源組件。最低的開關損耗和低Vf可實現更小的散熱片或風扇。此外，碳化硅肖特基二極管由于具有正溫度系數，易于實現并聯。

性能更好的高壓二極管thinQ!2G

新一代IFX碳化硅肖特基二極管(thinQ！2G)將通用碳化硅肖特基二極管與雙極型pn一結構進行了融合，具有非常強的抗浪涌電流功能和穩定的抗過壓特性。

圖1顯示了碳化硅肖特基二極管的結構(參照pn-Schottky二極管)。p區在發射極效率和傳導性上進行了優化，因此在前向電壓超過～4V的情況下可作為浪涌電流通過區。

改進的抗浪涌電流功能

thinQ！2G的抗浪涌電流功能得以改進，因此可輕松應對過流和沖擊電流情況。圖2顯示了thinQ！2G二極管與普通碳化硅肖特基二極管在正常情況以及高電流條件下的抗浪涌電流能力比較。在正常情況下，thinQ！2G與普通碳化硅肖特基二極管一樣都具有零反向恢復電荷，在高電流條件下，thinQ！2G的功率損耗大大降低。

由于抗浪涌電流功能的改進，因此可實現針對特定應用的低電流二極管。迄今為止，二極管的抗浪涌電流額定值依然是重要的設計標準。6A thinQ!二極管的抗浪涌電流額定值I_FSM＝21A@10ms，thinQ 12G的額定值則為I_FSM=49A@10ms。

上述額定值是在實際應用中測得的(6AIFX第一代碳化硅肖特基二極管，PFC，寬范圍)，并充分體現了切實的進步：第一代6A碳化硅肖特基二極管可處理啟動時的浪涌電流情況，但結溫提高到了50℃。由于肖特基特性，這已經接近熱散逸條件(參見圖2)。在正常條件下，可利用功率更低的二極管。

新的4A thinQ！2G可更好地應付啟動時的浪涌電流情況。結溫僅僅上升到35℃。由于雙極特性，在最大結溫條件下不會出現熱散逸情況。thinQ！2G不僅可應付正常情況，同時還可輕松處理異常情況。

穩定的抗過壓特性

除了抗浪涌電流功能得以改進之外，thinQ！2G還具有雪崩擊穿的能力。這是市場上任何其它碳化硅肖特基二極管所無法做到的。這是通過低電阻和p-island設計實現的，可確保在肖特基兩端電壓到達毀壞值之前出現雪崩效應(參見圖3)。

thinQ！2G穩定的抗雪崩和抗過壓特性(得益于正溫度系數)可使電信和服務器領域的FPC應用具有更高的可靠性、抗擾性和堅固性。在PFC應用的瞬變情況下，過壓將由500－550V(一般情況下為450V)的大型電容器進行處理。在這種情況下，thinQ！2G可輕松應付過壓情況。改進的抗過壓和抗浪涌電流特性將導致二極管具有更低的應力和更高的應用可靠性。

碳化硅肖特基二極管面向多種電源應用

作為器件材料的碳化硅具有獨特的特性，可生產幾乎具有理想性能特征的升壓二極管，適用于各種FPC電源應用。沒有反向恢復電荷，反向特性與開關速度、溫度和前向電流無關等特性可降低PFC應用的功率損耗。這對于服務器和高端PC電源應用而言非常重要，因為效率提升越來越重要，比如80plus這樣的標準要求。

此外，thinQ！2G還具有穩定的抗浪涌電流和抗過壓特性。抗浪涌電流功能可實現更低電流額定值的二極管設計，帶來了成本優勢。抗過壓特性對于電信和無線基礎設施等應用環境苛刻的應用而言非常重要。穩定的抗過壓和抗浪涌電流特性還可改進器件的穩定性。

具有最低開關損耗并可提升效率的碳化硅肖特基二極管還可用于UPS和太陽能轉換器這樣的系統中，在這些應用中降低損耗將可直接獲得回報。

面對日益提升的效率目標，英飛凌希望碳化硅二極管能切入到更低功率的應用場合：也就是需要更高環境溫度、更高器件溫度和更高可靠性的電源應用的需求。