直到最近，工程師們在快速開關(guān)式 AC/DC 電源的核心部件——基于二極管的整流器上還面臨著兩種傳統(tǒng)的選擇：肖特基整流器或快速恢復(fù)整流器。肖特基整流器具有低開關(guān)損耗和良好的效率，但在像汽車 LED 前燈或電子控制單元 (ECU) 這樣的溫度較高的設(shè)計中，會出現(xiàn)熱擊穿。快速恢復(fù)二極管在高溫下更穩(wěn)定，但效率較低。
硅鍺 (SiGe) 整流器提供了新的第三種選擇，通過將肖特基整流器的最佳特性與快速恢復(fù)器件結(jié)合在一起，消除了其他類型的許多折中處理。尤其是 SiGe 整流器具有高熱穩(wěn)定性，使之成為高溫應(yīng)用的絕佳選擇。
本文將簡要討論整流器基礎(chǔ)知識和相關(guān)挑戰(zhàn)，并對傳統(tǒng)肖特基和快速恢復(fù)整流器進(jìn)行了比較。然后，說明 SiGe 整流器架構(gòu)是如何將這兩個優(yōu)點結(jié)合在一起的。最后以來自 Nexperia 的器件為例，略述了 SiGe 整流器的關(guān)鍵特性，以及如何運用 SiGe 器件解決高溫、快速開關(guān)、AC/DC 應(yīng)用的相關(guān)問題。
整流器的基礎(chǔ)知識
整流器是電源的基本電路，它用于將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓供電，然后用于為電子元件供電。雖然有很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如半波和全波整流器），但整流器的關(guān)鍵部件就是一個或多個二極管。
最簡單的二極管形式是摻雜硅 (Si) p-n 結(jié)。當(dāng)二極管通過足夠電壓實現(xiàn)正向偏壓（電源的正極端子連接到元件的 p 型側(cè)，負(fù)極連接到 n 型側(cè)）以克服二極管固有“勢壘電位”或正向壓降（對于硅二極管來說，約為 0.7 伏）時，就會出現(xiàn)很大的正向電流 (IF) 流動。IF 則隨電源電壓 (VF) 的增加而升高。在勢壘電位以上，VF 相對 IF 曲線的梯度主要由二極管的體積電阻決定，但通常非常陡峭，如 Nexperia 的 BAS21H 所示（圖 1）。因此，二極管常與電阻串聯(lián)，用于器件過流保護(hù)。
圖 1：Nexperia 的 BAS21H 開關(guān)二極管的 VF 相對 IF 特性。請注意這種 p/n 型硅二極管是如何在約 0.7 伏時開始導(dǎo)通的。（圖片來源：Nexperia）
當(dāng)電壓反向 (VR) 時，會出現(xiàn)相應(yīng)的低反向漏電流 (IR)。在低工作溫度條件下，IR 是微不足道的，但由于它與溫度有關(guān)，在較高的工作溫度下，它可能成為一個問題。當(dāng) VR 較大時，二極管就會進(jìn)入雪崩模式，流過的電流很大，往往足以永久損壞元件。這個反向電壓閾值稱為擊穿電壓 (Vbr)。在其規(guī)格書中，制造商通常會建議工作峰值反向電壓 (Vrmax) 小于 Vbr，以留出安全裕量（圖 2）。
圖 2：顯示了p/n 型二極管 V-I 曲線的主要參數(shù)，包括正向電壓 (VF)、反向電流 (IR) 和擊穿電壓 (Vbr)。（圖片來源：維基百科）
在開關(guān)應(yīng)用中，一旦反向偏置被翻轉(zhuǎn)，二極管上仍有足夠的電荷，允許大量電流反向流動。這個所謂的反向恢復(fù)時間 (trr) 是一個重要的設(shè)計參數(shù)，特別是對于高頻應(yīng)用來說。在形成二極管結(jié)的 p 型和 n 型半導(dǎo)體中使用額外的摻雜物，如金或鉑，可顯著縮短 trr。使用這些材料的所謂快速恢復(fù)二極管特性之一就是 trr 只有幾十納秒 (ns)。這種快速開關(guān)性能取舍增加了 VF；通常會從 0.7 伏上升到 0.9 伏，效率也會隨之下降。然而，快速恢復(fù)二極管的 IR 仍與傳統(tǒng)的 p/n 型硅二極管相似。
在實際應(yīng)用中，二極管的特性使得大電流只能向一個方向流動，阻斷了正弦交流波的負(fù)半部分，有效地將電壓源整流為直流供電。
熱設(shè)計挑戰(zhàn)
在 AC/DC 轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，工程師們通常會尋找最有效的元件，以減少功率耗散和限制熱問題。
VF 是決定二極管效率的最重要因素。肖特基二極管通過用金屬/n 型硅結(jié)構(gòu)替代 p 型和 n 型硅結(jié)，是對標(biāo)準(zhǔn)二極管的改進(jìn)。因此，正向電壓降降低到 0.15 至 0.45 伏之間（取決于勢壘金屬的選擇）。肖特基二極管的另一個優(yōu)勢是具有非常快的 trr（約 100 皮秒 (ps) 級）。這些特性使肖特基成為如高頻開關(guān)模式電源之類應(yīng)用的常見整流器選擇。
但肖特基整流器有明顯的缺點。例如，與 p/n 型硅二極管相比，它具有相對較低的 Vrmax。其次，也許更為關(guān)鍵，肖特基整流器具有相對較高的 IR，可高達(dá)數(shù)百微安(μA)，而在同類應(yīng)用中，p/n 型硅二極管的 IR 僅為數(shù)百納安 (nA)。更糟糕的是，IR 隨結(jié)溫 (Tj) 呈指數(shù)級攀升（圖 3）。
圖 3：Nexperia 1PS7xSB70 通用肖特基二極管的 VR 相對 IR 特性。IR 通常比等效的 p/n 型硅二極管高得多，并且隨著溫度的升高而指數(shù)級增加。（圖片來源：Nexperia）
二極管整流器的熱穩(wěn)定性取決于 IR 所產(chǎn)生自熱的微妙平衡以及整流器通過系統(tǒng)熱阻進(jìn)行散熱的能力（圖 4）。如果整流器處于熱平衡狀態(tài)，則 Tj（以固定環(huán)境溫度 (Tamb) 為熱“接地”）可描述為：
其中：
Rth(j-a) = 二極管結(jié)與環(huán)境之間的熱阻
Pdissipated = 器件的耗散功率
圖 4：所示為工作二極管所呈現(xiàn)的熱阻。（圖片來源：Nexperia）
在運行中，只要自熱產(chǎn)生的功率小于耗散功率，器件的 Tj 就會向穩(wěn)定狀態(tài)收斂（圖 5）。然而，如果產(chǎn)生的自熱超過了可以耗散的量，Tj 就會增加，直到器件最終變得熱不穩(wěn)定。這種情況很快就變成了熱擊穿，因為 IR 隨著溫度成倍增加，有效地觸發(fā)正反饋回路。
圖 5：示例二極管的穩(wěn)定工作狀態(tài)由以下兩方面的平衡決定：熱系統(tǒng)通過熱阻（藍(lán)線 (1)）散熱的能力，以及整流器自身的反向漏電流 (IR)（和開關(guān)損耗）引起的自熱（紅線 (2)）。請注意自熱是如何隨著系統(tǒng)溫度的升高而成倍增加并導(dǎo)致熱擊穿的。（圖片來源：Nexperia）
如果應(yīng)用中使用的肖特基二極管受到高環(huán)境溫度的影響，設(shè)計者將面臨很高的熱擊穿風(fēng)險，除非其工作在 145°C 以上溫度的風(fēng)險顯著降低。因此，在快速開關(guān) LED 驅(qū)動器或罩下汽車電子控制單元等應(yīng)用中，工程師們往往避免使用肖特基二極管。到目前為止，工程師們只能選擇快速恢復(fù)二極管。這種二極管的特點是 IR 低，因此更不容易出現(xiàn)熱擊穿，但與之相伴的是效率的降低。
SiGe 整流器的替代品
對于高溫和/或高 Vrmax 設(shè)計來說，快速恢復(fù)二極管的選擇范圍較窄，而 SiGe 二極管技術(shù)的出現(xiàn)，綜合了肖特基和快速恢復(fù)二極管的優(yōu)點，擴(kuò)大了選擇范圍。這些整流器將肖特基的勢壘金屬/n 型硅結(jié)替換為基于 SiGe/n 型硅結(jié)（圖 6）。
圖 6：SiGe 整流器用 SiGe 取代了肖特基金屬勢壘。其結(jié)果帶來的是更小的帶隙、更大的電子遷移率和更高的本征電荷載流子密度。（圖片來源：Nexperia）
SiGe，顧名思義，就是硅和鍺的合金；該半導(dǎo)體的主要優(yōu)點是帶隙較小（帶隙是指半導(dǎo)體價帶和導(dǎo)帶之間的電子伏特 (eV) 的能量差），能夠在更高的頻率下切換，電子遷移率更大，本征電荷載流子密度比硅高。SiGe 較低的帶隙使得 Si/n 型 SiGe 結(jié)的 VF 降低到 0.75 伏左右，比快速恢復(fù)二極管低 150 毫伏 (mV) 左右。
在實際應(yīng)用中，與快速恢復(fù)二極管相比，較低的 VF 可使二極管的傳導(dǎo)損耗降低 20% 左右。雖然組件效率取決于多種因素，包括應(yīng)用的占空比，但工程師可合理地期望在同類應(yīng)用中提高 5% 到 10%。此外，SiGe 二極管具有比肖特基二極管更低的 IR（圖 7）。
圖 7：SiGe 整流器比肖特基器件具有更低的 IR（可實現(xiàn)出色的高溫操作能力），比快速恢復(fù)整流器具有更低的 VF（可實現(xiàn)更高的效率）。（圖片來源：Nexperia）
由于 SiGe 二極管具有較高的本征電荷密度和電子/空穴遷移率，因此具有低 trr，所以它能夠進(jìn)行快速開關(guān)。這種快速開關(guān)能力也是通過相對較低的寄生電容和電感實現(xiàn)的。此外，由于 SiGe 二極管比同類肖特基整流器具有更低的反向恢復(fù)電荷 (QRR) 和更低的反向恢復(fù)電流 (IRR)，因此具有更低的開關(guān)損耗。這一點至關(guān)重要，因為在高頻應(yīng)用中，這些開關(guān)損耗是造成整體損耗的主要因素。低 IR 和低開關(guān)損耗的組合近乎完全消除熱擊穿風(fēng)險。
SiGe 二極管的選擇和應(yīng)用
雖然 SiGe 晶體管已經(jīng)上市好幾年了，但 SiGe 二極管是最近才出現(xiàn)的。例如，Nexperia 的 PMEG120G10ELRX、PMEG120G20ELRX 和 PMEG120G30ELPJ SiGe 整流器屬于一個家族，采用 Clip-bonded FlatPower (CFP3) 和 CFP5 封裝，減少了尺寸，提高了熱效率（圖 8）。目前這種封裝已經(jīng)成為功率二極管的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
圖 8：PMEG120G10ELRX SiGe 整流器采用 CFP5 封裝，在節(jié)省空間的同時，也提升了傳熱效率。（圖片來源：Nexperia）
該封裝的實心銅夾最大限度地減少了熱阻，提高了熱傳導(dǎo)，從而使設(shè)計人員能夠使用更緊湊的 PC 板設(shè)計。與 SMA 和 SMB 封裝相比，CFP3 減少了 38% 的整流器空間需求，而 CFP5 則可節(jié)省高達(dá) 56% 的空間。
通常在引入一項新技術(shù)時，設(shè)計者需要關(guān)注實現(xiàn)變量。就 Nexperia SiGe 二極管而言，其肖特基和快速恢復(fù)二極管也采用了相同的封裝，可以實現(xiàn)高溫應(yīng)用的即插即用替代，包括 LED 照明、汽車 ECU、服務(wù)器電源和通信基礎(chǔ)設(shè)施。
SiGe 整流器提供的 Vrmax 最高達(dá) 120 伏（150 伏和 200 伏版本可供樣件），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)肖特基二極管規(guī)定的 100 伏限制。此外，該器件已通過最高 200℃ 的測試，沒有出現(xiàn)任何熱擊穿或降額現(xiàn)象（圖 9）。請注意，該元件的工作溫度極限（安全工作區(qū) (SOA)）為 175° C，與其說是由二極管決定，不如說是由元件封裝決定。圖 10 顯示了與肖特基二極管相比，SiGe 二極管的耐熱擊穿能力如何使安全工作區(qū)域得到更大的擴(kuò)展。
圖 9：Nexperia SiGe 整流器在高溫下不會出現(xiàn)肖特基整流器的熱擊穿現(xiàn)象。（圖片來源：Nexperia）
圖 10：與肖特基整流器相比，耐熱擊穿能力可使 SiGe 整流器的安全工作區(qū)域擴(kuò)大。（圖片來源：Nexperia）
Nexperia SiGe 整流器具有 1、2 和 3 安培 (A) 的 IF 能力，IR 值低至 0.2 nA （VR = 120 伏（脈沖），Tj = 25°C），在高溫（VR = 120 伏（脈沖），Tj = 150°C）下可上升至 10 μA。與肖特基二極管一樣，整流器是快速開關(guān)選項的絕佳之選，開關(guān)損耗低，trr 為 6 ns。產(chǎn)品符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語
肖特基整流器是高效、高頻、AC/DC 轉(zhuǎn)換器的成熟選擇，但其相對較高的 IR 會在高溫應(yīng)用中導(dǎo)致破壞性的熱擊穿。因此設(shè)計人員不得不在高溫開關(guān)轉(zhuǎn)換器中采用效率較低但熱穩(wěn)定性較高的快速恢復(fù)二極管。
然而，如上所述，采用晶體管上使用的成熟 SiGe 技術(shù)已經(jīng)在二極管中實現(xiàn)了商業(yè)化。這類新型器件集肖特基二極管的效率和快速開關(guān)特性以及快速恢復(fù)二極管的熱穩(wěn)定性優(yōu)勢于一體。因此，它們?yōu)檫M(jìn)入如 LED 照明、汽車 ECU、服務(wù)器電源和通信基礎(chǔ)設(shè)施之類高溫環(huán)境的設(shè)計提供了良好的解決方案。
