電力電子器件中的分立整流器是決定性組件，影響著電動(dòng)汽車(chē)中的“車(chē)載充電器”等重要單元的效率、可靠性和尺寸。近年來(lái)，碳化硅 （SiC） 肖特基二極管已成為電力電子領(lǐng)域最先進(jìn)的整流器技術(shù)。然而，碳化硅整流器通常在 650V 及更高電壓下使用，與硅基解決方案相比，它們的價(jià)格更高。然而，有許多低于 650V 的電力電子應(yīng)用需要具有成本效益的解決方案，而不會(huì)影響設(shè)備的可靠性和性能。Nexperia 開(kāi)發(fā)了一種基于硅鍺 （SiGe） 的新型整流器技術(shù)，適用于 100-200V 范圍內(nèi)的應(yīng)用。

硅鍺 （SiGe） 整流器提供卓越的效率和熱穩(wěn)定性

硅鍺 （SiGe） 整流器結(jié)合了硅肖特基整流器的效率和快速恢復(fù)整流器的熱穩(wěn)定性，使工程師能夠優(yōu)化 100V-200V 電源設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高效率。

Nexperia 現(xiàn)在提供的 SiGe 整流器旨在用于車(chē)輛、服務(wù)器和通信基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用。這些符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 SiGe 整流器提供更大的安全工作區(qū)域，在高達(dá) 175°C 的溫度下不會(huì)出現(xiàn)熱失控，特別適用于暴露在高環(huán)境溫度下的應(yīng)用。

之前在 100V-200V 范圍內(nèi)設(shè)計(jì)整流器電路時(shí)，工程師不得不在效率和工作溫度之間做出妥協(xié)。雖然肖特基整流器提供非常高的效率，但它們會(huì)在高于特定溫度閾值時(shí)遭受熱失控。這意味著它們的使用僅限于汽車(chē)電子控制單元 （ECU） 或燃油噴射系統(tǒng)中的電源電路，例如，這些系統(tǒng)通常在 150°C 以上的溫度下運(yùn)行。

另一種方法是使用快速恢復(fù)整流器。它們具有非常高的熱穩(wěn)定性，但它們具有非常高的正向電壓，這會(huì)影響它們的效率。

SiGe 和理想的整流器性能

SiGe 技術(shù)的特點(diǎn)包括比硅更小的帶隙、更快的開(kāi)關(guān)頻率和更高的本征電荷載流子密度。這些特性在高頻開(kāi)關(guān)行為方面具有優(yōu)勢(shì)：這就是在射頻晶體管中采用 SiGe 器件的原因。在此之前，SiGe 二極管僅在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中進(jìn)行了理論上的討論，無(wú)法用于實(shí)際實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)，Nexperia 一直在開(kāi)發(fā) SiGe 整流器技術(shù)，并且已經(jīng)擁有多項(xiàng)該工藝的專(zhuān)利，解決了對(duì)高效和高溫操作的明顯沖突需求。

圖 1 顯示了 Nexperia 新型 SiGe 整流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖。為增強(qiáng)其性能，它們采用兩引腳夾焊 FlatPower （CFP） 封裝（CFP3 和 CFP5），可提供出色的散熱性能。這種封裝設(shè)計(jì)與肖特基和快速恢復(fù)整流器的引腳兼容。

圖 1：肖特基整流器和 SiGe 整流器的結(jié)構(gòu)比較

如圖 2 所示，新器件保持高熱穩(wěn)定性，擴(kuò)展了安全工作區(qū)——在本例中為 140°C，這是肖特基整流器開(kāi)始熱失控的溫度。SiGe 整流器在 175°C（CFP 封裝的規(guī)定限值）的溫度下仍保持穩(wěn)定。當(dāng)芯片內(nèi)產(chǎn)生的反向功率超過(guò)封裝可以耗散的功率時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱失控。在這一點(diǎn)上，漏電流的增加變得超指數(shù)。

圖 2：肖特基整流器和 SiGe 整流器的漏電流與外殼溫度的關(guān)系

如圖 3 所示，快速恢復(fù)整流器的正向電壓通常約為 0.9V。相比之下，Nexperia 的第一個(gè) SiGe 二極管具有 1nA 的低漏電流，如曲線所示，這相當(dāng)于大約 0.75V 的正向電壓，比快速恢復(fù)整流器好大約 150mV。

結(jié)果是傳導(dǎo)損耗減少了大約 20%。這如何轉(zhuǎn)化為效率取決于多種因素，最重要的是應(yīng)用程序的占空比。粗略估計(jì)，在熱穩(wěn)定性與最佳快速恢復(fù)二極管相同的情況下，可以預(yù)期效率提高 5-10%。

圖 3：肖特基、SiGe 和快速恢復(fù)整流器的正向電壓與漏電流的權(quán)衡。SiGe 整流器的漏電流比肖特基整流器低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，正向壓降比快速恢復(fù)整流器低約 20%。

SiGe 在高溫開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，與肖特基整流器相比，SiGe 整流器顯示出改進(jìn)的開(kāi)關(guān)性能，例如在 48V/12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器中。與類(lèi)似的肖特基整流器相比，SiGe 整流器具有更低的反向恢復(fù)電荷和更低的反向恢復(fù)電流，從而導(dǎo)致更低的開(kāi)關(guān)損耗和更低的快感。

這些優(yōu)勢(shì)直接提高了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率（見(jiàn)圖 4）。在高頻下，開(kāi)關(guān)損耗成為總體損耗的主要貢獻(xiàn)者：在這里，SiGe 整流器比肖特基整流器更有效。

圖 4：48V/12V DC-DC 轉(zhuǎn)換器在 130kHz 和 500kHz 之間的開(kāi)關(guān)頻率下的效率。將 3A SiGe 整流器與 3A 肖特基整流器進(jìn)行比較。SiGe 整流器在高頻下的效率提高是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗較低。

總之，即使在高溫環(huán)境下工作時(shí)，SiGe 整流器也是開(kāi)關(guān)模式電源的合適選擇。它們結(jié)合了肖特基整流器的高效率和快速恢復(fù)整流器的熱穩(wěn)定性和安全操作。

審核編輯：郭婷