SiGe在高温开关应用中的优势及整流器性能分析

电力电子设备中的分立整流器是决定性的组件，它们会影响效率，可靠性以及诸如EV汽车中“车载充电器”之类的重要部件的尺寸。近年来，碳化硅（SiC）肖特基二极管已被确立为电力电子技术中最先进的整流器技术。但是，SiC整流器通常在650V及更高电压下使用，与基于硅的解决方案相比，它们具有较高的价格。尽管如此，仍有许多650V以下的电力电子应用需要经济高效的解决方案，而又不影响设备的可靠性和性能。Nexperia已开发出一种新的基于硅锗（SiGe）的整流器技术，适用于100-200V范围的应用。

硅锗（SiGe）整流器具有出色的效率和热稳定性

硅锗（SiGe）整流器将硅肖特基整流器的效率与快速恢复整流器的热稳定性相结合，使工程师能够优化100V-200V电源设计以实现高效率。

Nexperia现已提供SiGe整流器，旨在用于车辆，服务器和通信基础设施中的应用。这些通过AEC-Q101认证的SiGe整流器提供了一个扩展的安全工作区域，在高达175°C的温度下没有热失控，特别适合在暴露于高环境温度的应用中使用。

以前在设计100V-200V范围内的整流器电路时，工程师不得不在效率和工作温度之间进行折衷。尽管肖特基整流器提供非常高的效率，但它们会遭受超过一定温度阈值的热失控。这意味着它们的使用受到限制，例如在汽车电子控制单元（ECU）或燃油喷射系统的电源电路中，这些电路通常在高于150°C的温度下运行。

替代方法是使用快速恢复整流器。它们非常热稳定，但是它们具有很高的正向电压，这会影响其效率。

SiGe和理想的整流器性能

与硅相比，SiGe技术的特征包括更小的带隙，更快的开关频率和更高的固有电荷载流子密度。这些特性在高频开关性能方面具有优势：这就是为什么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，尚无实际应用。

Nexperia近年来一直在开发SiGe整流器技术，并且已经拥有该工艺的多项专利，这些专利解决了明显矛盾的高效和高温操作需求。

图1显示了Nexperia新型SiGe整流器内部结构的简化图。为了提高其性能，它们采用两引脚夹式FlatPower（CFP）封装（CFP3和CFP5）封装，具有出色的散热性能。该封装设计与肖特基和快速恢复整流器的引脚兼容。

图1：肖特基和SiGe整流器的结构比较

如图2所示，新器件保持了很高的热稳定性，扩展了安全工作区–在此示例中，肖特基整流器开始热失控的温度从140°C开始。SiGe整流器在CFP封装规定的极限温度175°C和更高的温度下仍保持稳定。当芯片内部产生的反向功率超过封装可以消耗的功率时，就会发生热失控。在这一点上，泄漏电流的增加变得超指数。

图2：肖特基和SiGe整流器的漏电流与外壳温度的关系

如图3所示，快速恢复整流器通常具有约0.9V的正向电压。相比之下，Nexperia的第一个SiGe二极管具有1nA的低泄漏电流，如曲线所示，正向电压等于0.75V左右，比Fast Recovery整流器好150mV。

结果是减少了约20％的传导损耗。如何将其转化为效率取决于多个因素，最重要的是应用的占空比。粗略估计，与最佳快速恢复二极管具有相同的热稳定性，效率有望提高5-10％。

图3：肖特基，SiGe和快速恢复整流器的正向电压与泄漏电流之间的权衡。SiGe整流器的泄漏电流比肖特基整流器低大约两个数量级，而正向电压降比快速恢复整流器低大约20％。

SiGe在高温开关应用中的优势

除这些优点外，与例如80V / 12V DC-DC转换器中的肖特基整流器相比，SiGe整流器还显示出更高的开关性能。与可比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响应性。

这些好处直接提高了DC-DC转换器的效率（见图4）。在高频下，开关损耗成为造成整体损耗的主要因素：此处，SiGe整流器比肖特基整流器更高效。

图4：48V / 12V DC-DC转换器在130kHz至500kHz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整流器在高频下效率的提高是由于较低的开关损耗。

总而言之，即使在高温环境下工作，SiGe整流器也是开关模式电源的合适选择。它们将肖特基整流器的高效率与快速恢复整流器的热稳定性和安全运行结合在一起。

编辑：hfy