使用 MPS SiC 二极管可最大限度地降低高频开关模式电源中的损耗

高频开关模式电路，例如使用连续导通模式 （CCM） 的功率因数校正 （PFC） 电路，需要具有低开关损耗的二极管。对于 CCM 模式下的传统硅 （Si） 二极管，这些开关损耗是由关断期间二极管结中存储的电荷导致二极管的反向恢复电流引起的。最小化这些损耗通常需要具有更大平均正向电流的 Si 二极管，从而导致更大的物理尺寸和更高的成本。

碳化硅 （SiC） 二极管是 CCM PFC 电路中更好的选择，因为它的反向恢复电流本质上只是电容性的。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，与传统的 SiC 肖特基二极管类似，合并的 PIN 肖特基 （MPS） SiC 二极管可降低器件的正向压降。这进一步降低了传导损耗。

本文简要讨论了 CCM PFC 电路中低损耗开关的挑战。然后，本文介绍了 Vishay General Semiconductor Diodes Division 的 MPS 器件示例，并展示了如何应用它来最大限度地减少损耗。

低损耗开关要求

额定功率超过 300 瓦的 AC/DC 开关模式电源通常使用 PFC 来帮助满足国际标准，例如 IEC61000-4-3，这些标准规定了无功功率和线路谐波水平。PFC 电源中使用的二极管，尤其是在高频运行的开关电源中，必须能够处理电源的额定功率以及与电路导通和开关动作相关的相关损耗。Si 器件具有明显的反向恢复损耗。当 Si 二极管从导电状态切换到非导电状态时，它会保持导电状态，同时带电载流子从结中移除。这导致在二极管的反向恢复时间内有大量电流流过，这成为 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，电容放电发生得更快，有效消除了关断损耗。SiC 二极管具有较高的正向压降，这可能会导致导通损耗，但压降是可以控制的。SiC 二极管还具有能够处理更高温度范围和更快开关的优势。更高的温度范围允许更高的功率密度，从而实现更小的封装。更快的开关速度是由于肖特基结构和 SiC 更短的反向恢复时间。在更高的开关频率下工作会导致更小的电感器和电容器值，从而提高电源的体积效率。

SiC MPS 二极管

SiC MPS 二极管结合了肖特基二极管和 PIN 二极管的有用特性。这种结构使二极管具有快速开关、低导通态压降、低关断态泄漏和良好的高温特性。

使用纯肖特基结的二极管可提供尽可能低的正向电压，但在大电流下会遇到问题，例如某些 PFC 应用中的浪涌电流。MPS 二极管通过在肖特基结构的金属漂移区下方植入 P 掺杂区域来提高浪涌电流性能（图 1）。这与肖特基二极管阳极处的金属形成 P-Ohmic 接触，并与轻掺杂的 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（右）二极管的结构比较。（图片来源：Vishay Semiconductor）

在正常情况下，MPS 二极管的肖特基结构几乎传导整个电流，二极管的行为类似于肖特基二极管，具有随之而来的开关特性。

在高瞬态浪涌电流的情况下，MPS 二极管两端的电压会增加到超过内置 P-N 二极管的阈值电压，该二极管开始导通，从而降低局部电阻。这会将电流转移通过 P-N 结区域，从而限制功率耗散并降低 MPS 二极管中的热应力。在大电流下漂移区电导率的增加使正向电压保持在低值。

SiC 器件的浪涌电流性能来自于器件的单极特性及其相对较高的漂移层电阻。MPS 结构也改善了这一性能参数，而 P 掺杂区域的几何位置、大小和掺杂浓度会影响最终特性。正向压降是漏电流和浪涌电流额定值之间的折衷方案。

在反向偏置下，P 掺杂区域迫使最大场强的总面积向下，远离具有缺陷的金属势垒，进入几乎无缺陷的漂移层，从而降低总泄漏电流。这允许 MPS 器件在相同的漏电流和漂移层厚度下在更高的击穿电压下工作。

Vishay 的 MPS 结构采用薄膜技术，其中激光退火用于减薄二极管结构的背面，与早期解决方案相比，正向压降降低了 0.3 伏。此外，二极管的正向压降几乎与温度无关（图 2）。

图 2：纯肖特基二极管结构（虚线）和 MPS 二极管结构（实线）之间的正向压降比较表明，MPS 二极管在增加正向电流时保持更一致的正向压降。（图片来源：Vishay Semiconductors）

该图显示了两种二极管的正向电压与正向电流的关系，以温度为参数。对于高于 45 安培 （A） 的电流，纯肖特基二极管的正向电压降呈指数增加。MPS 二极管在增加正向电流时保持更一致的正向压降。请注意，MPS 二极管中的正向电流水平越高，正向电压越高，温度越高。

MPS 二极管示例

Vishay 的高级 SiC MPS 二极管的额定电压为 1200 反向峰值电压，正向电流额定值为 5 至 40 A。例如，VS-3C05ET12T-M3（图 3）是采用 TO-220-2 外壳的通孔安装二极管，额定正向电流为 5 A，在其全额定电流下正向电压为 1.5 V。二极管的反向漏电流为 30 微安 （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，在其全额定电流下正向电压为 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，可在较宽的温度范围内提供高效运行。

MPS SiC 二极管应用

MPS 二极管通常应用于各种开关模式电源电路，例如 DC/DC 转换器，包括光伏应用中常见的使用全桥相移 （FBPS） 和电感器-电感器-电容器 （LLC） 拓扑结构的电路。另一个常见应用是使用 PFC 电路的 AC/DC 电源。

功率因数是有功功率与视在功率之比，衡量电气设备中输入功率的使用效率。功率因数为 1 是理想的。较低的功率因数意味着视在功率大于有功功率，这会导致驱动特定负载所需的电流增加。功率因数低的负载中的高峰值电流也会导致电力线上出现谐波。电源供应商通常指定用户功率因数的允许范围。AC/DC 电源可以设计为包含 PFC（图 4）。

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

在图 4 中，桥式整流器 B1 将交流输入转换为直流输入。MOSFET Q1 是一个电子开关，由 PFC IC（未显示）“打开”和“关闭”。当 MOSFET “导通”时，通过电感的电流呈线性增加。此时，SiC 二极管被输出电容器上的电压 （C外），并且 SiC 二极管的低反向漏电流最大限度地减少了漏损。当 MOSFET “关断”时，电感器向 C 提供线性递减的电流外通过正向偏置输出整流二极管。

在 CCM PFC 电路中，电感电流在整个开关周期内不会降至零。CCM PFC 常见于提供数百瓦或更高功率的电源中。MOSFET 开关由 PFC IC 进行脉宽调制 （PWM），因此电源电路的输入阻抗显示为纯电阻性（功率因数为 1），并且峰值与平均电流的比值（波峰因数）保持在较低水平（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）

与电感电流达到零且二极管开关处于无偏置状态的不连续和临界电流工作模式不同，CCM 电路中的电感电流永远不会下降到零，因此当开关改变状态时，电感电流不为零。当二极管切换到反向状态时，反向恢复会显著增加损耗。使用 MPS SiC 二极管可以消除这些损耗。使用 MPS SiC 二极管后，开关损耗降低，从而减小了二极管和有源开关的芯片尺寸和成本。

结论

与 Si 相比，Vishay 的 MPS SiC 肖特基二极管具有更高的正向电流额定值、更低的正向压降和更低的反向恢复损耗，所有这些都采用更小的封装和更高的额定温度。因此，它们非常适合用于开关模式电源设计。