基于硅锗的新型整流器技术的解决方案

电力电子器件中的分立整流器是决定性组件，影响着电动汽车中的“车载充电器”等重要单元的效率、可靠性和尺寸。近年来，碳化硅 （SiC） 肖特基二极管已成为电力电子领域最先进的整流器技术。然而，碳化硅整流器通常在 650V 及更高电压下使用，与硅基解决方案相比，它们的价格更高。然而，有许多低于 650V 的电力电子应用需要具有成本效益的解决方案，而不会影响设备的可靠性和性能。Nexperia 开发了一种基于硅锗 （SiGe） 的新型整流器技术，适用于 100-200V 范围内的应用。

硅锗 （SiGe） 整流器提供卓越的效率和热稳定性

硅锗 （SiGe） 整流器结合了硅肖特基整流器的效率和快速恢复整流器的热稳定性，使工程师能够优化 100V-200V 电源设计以实现高效率。

Nexperia 现在提供的 SiGe 整流器旨在用于车辆、服务器和通信基础设施中的应用。这些符合 AEC-Q101 标准的 SiGe 整流器提供更大的安全工作区域，在高达 175°C 的温度下不会出现热失控，特别适用于暴露在高环境温度下的应用。

之前在 100V-200V 范围内设计整流器电路时，工程师不得不在效率和工作温度之间做出妥协。虽然肖特基整流器提供非常高的效率，但它们会在高于特定温度阈值时遭受热失控。这意味着它们的使用仅限于汽车电子控制单元 （ECU） 或燃油喷射系统中的电源电路，例如，这些系统通常在 150°C 以上的温度下运行。

另一种方法是使用快速恢复整流器。它们具有非常高的热稳定性，但它们具有非常高的正向电压，这会影响它们的效率。

SiGe 和理想的整流器性能

SiGe 技术的特点包括比硅更小的带隙、更快的开关频率和更高的本征电荷载流子密度。这些特性在高频开关行为方面具有优势：这就是在射频晶体管中采用 SiGe 器件的原因。在此之前，SiGe 二极管仅在学术文献中进行了理论上的讨论，无法用于实际实现。

近年来，Nexperia 一直在开发 SiGe 整流器技术，并且已经拥有多项该工艺的专利，解决了对高效和高温操作的明显冲突需求。

图 1 显示了 Nexperia 新型 SiGe 整流器内部结构的简化图。为增强其性能，它们采用两引脚夹焊 FlatPower （CFP） 封装（CFP3 和 CFP5），可提供出色的散热性能。这种封装设计与肖特基和快速恢复整流器的引脚兼容。

图 1：肖特基整流器和 SiGe 整流器的结构比较

如图 2 所示，新器件保持高热稳定性，扩展了安全工作区——在本例中为 140°C，这是肖特基整流器开始热失控的温度。SiGe 整流器在 175°C（CFP 封装的规定限值）的温度下仍保持稳定。当芯片内产生的反向功率超过封装可以耗散的功率时，就会发生热失控。在这一点上，漏电流的增加变得超指数。

图 2：肖特基整流器和 SiGe 整流器的漏电流与外壳温度的关系

如图 3 所示，快速恢复整流器的正向电压通常约为 0.9V。相比之下，Nexperia 的第一个 SiGe 二极管具有 1nA 的低漏电流，如曲线所示，这相当于大约 0.75V 的正向电压，比快速恢复整流器好大约 150mV。

结果是传导损耗减少了大约 20%。这如何转化为效率取决于多种因素，最重要的是应用程序的占空比。粗略估计，在热稳定性与最佳快速恢复二极管相同的情况下，可以预期效率提高 5-10%。

图 3：肖特基、SiGe 和快速恢复整流器的正向电压与漏电流的权衡。SiGe 整流器的漏电流比肖特基整流器低约两个数量级，正向压降比快速恢复整流器低约 20%。

SiGe 在高温开关应用中的优势

除了这些优点之外，与肖特基整流器相比，SiGe 整流器显示出改进的开关性能，例如在 48V/12V DC-DC 转换器中。与类似的肖特基整流器相比，SiGe 整流器具有更低的反向恢复电荷和更低的反向恢复电流，从而导致更低的开关损耗和更低的快感。

这些优势直接提高了 DC-DC 转换器的效率（见图 4）。在高频下，开关损耗成为总体损耗的主要贡献者：在这里，SiGe 整流器比肖特基整流器更有效。

图 4：48V/12V DC-DC 转换器在 130kHz 和 500kHz 之间的开关频率下的效率。将 3A SiGe 整流器与 3A 肖特基整流器进行比较。SiGe 整流器在高频下的效率提高是因为开关损耗较低。

总之，即使在高温环境下工作时，SiGe 整流器也是开关模式电源的合适选择。它们结合了肖特基整流器的高效率和快速恢复整流器的热稳定性和安全操作。

审核编辑：郭婷