고주파, 스위치 모드 전원 공급 장치에서 MPS SiC 다이오드를 사용하여 손실 최소화

고주파 스위치 모드 회로(예: CCM(연속 전도 모드)를 사용하는 PFC(역률 보정)를 위한 회로)에는 스위칭 손실이 낮은 다이오드가 필요합니다. CCM 모드의 기존 Si(실리콘) 다이오드의 경우 이러한 스위칭 손실은 턴오프 시 다이오드 접합에 저장된 전하로 인한 다이오드의 역회복 전류로 인해 발생합니다. 이러한 손실을 최소화하려면 일반적으로 평균 순방향 전류가 더 큰 Si 다이오드가 필요하므로 실제 크기와 비용이 증가하게 됩니다.

SiC(실리콘 카바이드) 다이오드는 CCM PFC 회로에 더 좋은 선택입니다. 사실상 해당 역회복 전류가 전기 용량에 불과하기 때문입니다. SiC 장치의 소수 캐리어 주입 감소는 SiC 다이오드의 스위칭 손실이 0에 가깝다는 것을 의미합니다. 또한 병합 PIN 쇼트키(MPS) SiC 다이오드는 기존의 SiC 쇼트키 다이오드와 유사하게 장치의 순방향 전압 강하를 낮춥니다. 이로 인해 전도 손실이 더욱 최소화됩니다

이 기사에서는 CCM PFC 회로의 저손실 스위칭 과제에 대해 간략하게 논의해 보겠습니다. 그런 다음 Vishay General Semiconductor – Diodes Division의 MPS 장치 예를 소개하고 손실 최소화를 위해 이 장치를 사용하는 방법을 설명합니다.

저손실 스위칭 요구 사항

300W 이상의 전력 등급을 가진 AC/DC 스위치 모드 전원 공급 장치는 무효 전력 및 라인 고조파 레벨을 지정하는 국제 표준(예:IEC61000-4-3)을 충족하기 위해 대개 PFC를 사용합니다. PFC 전원 공급 장치에 사용되는, 특히 고주파에서 자동하는 스위칭 전원 공급 장치에 사용되는 다이오드는 공급 장치의 정격 전력과, 회로의 전도 및 스위칭 작동과 연관된 손실을 처리할 수 있어야 합니다. Si 장치에서는 현저한 역회복 손실이 발생합니다. Si 다이오드가 전도 상태에서 비전도 상태로 전환될 경우, 충전된 전하는 접합 상태에서 벗어나지만 다이오드는 전도 상태로 유지됩니다. 이로 인해 다이오드의 역회복 시간 동안 상당한 전류 흐름이 발생하며, 이는 Si 다이오드의 턴오프 손실이 됩니다.

SiC 쇼트키 다이오드의 역회복은 정전 용량 방전으로 제한되며, 이는 더욱 빠르게 발생하여 턴오프 손실을 효과적으로 제거합니다. SiC 다이오드는 순방향 전압 강하가 더 높아 전도 손실에 기여할 수 있지만 이 강하는 제어가 가능합니다. 또한 더 높은 전류 범위와 보다 신속한 스위칭을 처리할 수 있다는 이점을 가집니다. 온도 범위가 높을수록 전력 밀도가 높아지므로 패키지 소형화를 실현할 수 있습니다. 신속한 스위칭은 쇼트키 구조 및 SiC의 빠른 역회복 시간 때문입니다. 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 경우 인덕터 및 커패시터 값이 작아져 공급 장치에서의 용적 효율이 향상됩니다.

SiC MPS 다이오드

SiC MPS 다이오드는 쇼트키 다이오드와 PIN 다이오드의 유용한 기능을 결합합니다. 이러한 구조 덕분에 빠른 스위칭, 낮은 온스테이트 전압 강하, 낮은 오프스테이트 누설, 우수한 고온 특성을 갖춘 다이오드가 생성됩니다.

순수 쇼트키 접합을 사용하는 다이오드는 가능한 최저의 순방향 전압을 제공하지만 일부 PFC 응용 제품에서의 서지 전류와 같은 고전류에서 문제가 발생할 수 있습니다 MPS 다이오드는 쇼트키 구조의 금속 드리프트 영역 아래에 P-도핑 영역을 착상시켜 서지 전류 성능을 향상시킵니다(그림 1). 이를 통해 쇼트키 다이오드 양극에서 금속과의 P-옴 접촉이 형성되고 저농도 도핑 SiC 드리프트 또는 에피층과의 P-N 접합이 형성됩니다.

그림 1: SiC 쇼트키(왼쪽) 및 MPS(오른쪽) 다이오드의 구조를 비교한 것입니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

일반 조건에서 MPS 다이오드의 쇼트키 구조는 거의 모든 전류를 전도하며, 이 다이오드는 쇼트키 다이오드처럼 작동하고, 이에 따라 수반되는 스위칭 특성을 갖습니다.

높은 과도 서지 전류가 발생할 경우 MPS 다이오드의 전압이 내장된 P-N 다이오드의 임계 전압 이상으로 증가하여 전도가 시작되고 국부 저항이 낮아집니다. 이는 P-N 접합 영역을 통해 전류의 흐름을 바꾸어 MPS 다이오드의 전력 손실을 제한하고 열응력을 감소시킵니다. 높은 전류에서 드리프트 영역의 전도율이 증가하면 순방향 전압이 낮은 값으로 유지됩니다.

SiC 장치의 서지 전류 성능은 장치의 단극 특성과 상대적으로 높은 드리프트 계층 저항에서 비롯됩니다. MPS 구조는 또한 이 성능 파라미터를 개선하며, P-도핑 영역의 기하학적 배치, 크기 및 도핑 농도는 최종 특성에 영향을 미칩니다. 순방향 전압 강하는 누설과 서지 전류 정격 간에 절충됩니다.

역방향 바이어스 시, P-도핑 영역은 최대 전계 강도의 전체 영역을 결함이 있는 금속 장벽에서 거의 결함이 없는 드리프트 층으로 밀어내어 전체 누설 전류를 감소시킵니다. 이를 통해 MPS 장치는 동일한 누설 전류와 드리프트 층 두께로 더 높은 항복 전압에서 작동할 수 있습니다.

Vishay의 MPS 구조는 박막 기술을 사용하는데, 레이저 어닐링을 통해 다이오드 구조의 뒷면을 얇게 만들어 이전 솔루션에 비해 순방향 전압 강하를 0.3V까지 줄입니다. 또한 다이오드의 순방향 전압 강하는 온도와 거의 관련이 없습니다(그림 2).

그림 2: 순수 쇼트키(점선) 다이오드 구조와 MPS 다이오드 구조(실선)의 순방향 전압 강하 비교를 통해 순방향 전류가 증가함에 따라 MPS 다이오드가 더 일관된 순방향 전압 강하를 유지한다는 것을 알 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductors)

이 플롯은 두 다이오드 유형의 순방향 전압을 순방향 전류와 온도 파라미터의 함수로 표시합니다. 순수 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하는 45A(암페어)를 초과하는 전류에 대해 기하급수적으로 증가합니다. MPS 다이오드는 순방향 전류가 증가함에 따라 더 일관적인 순방향 전압 강하를 유지합니다. MPS 다이오드의 순방향 전류 레벨이 높은 경우 온도가 증가할수록 순방향 전압이 감소합니다.

MPS 다이오드의 예

Vishay의 고급 SiC MPS 다이오드는 5A ~ 40A의 순방향 전류 정격에서 1200 역방향 피크 전압에 대해 등급이 지정되었습니다. 예를 들어, VS-3C05ET12T-M3(그림 3)은 TO-220-2 케이스의 스루홀 실장 다이오드이며 순방향 전류 정격은 5A, 최대 정격 전류에서 순방향 전압은 1.5V입니다. 다이오드의 역방향 누설 전류는 30mA(마이크로 암페어)이며, 최대 작동 접합 온도는 +175°C로 정격화되어 있습니다.

그림 3: VS-3C05ET12T-M3 SiC MPS 다이오드는 스루홀 패키지로 제공되고 5A의 순방향 전류에 대해 정격화되었으며 최대 정격 전류에서 1.5V의 순방향 전압을 지원합니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

이 다이오드 제품군은 고속, 하드 스위칭 응용 제품에 최고의 선택이며 넓은 온도 범위에서 효율적인 작동을 제공합니다.

MPS SiC 다이오드 응용 제품

MPS 다이오드는 일반적으로 광발전 응용 제품에서 흔히 볼 수 있는 풀 브리지 위상 편이(FBPS) 및 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 토폴로지를 사용하는 DC/DC 컨버터를 비롯하여 다양한 스위치 모드 전력 회로에 사용됩니다. 또한 PFC 회로를 활용하는 AC/DC 전원 공급 장치에서도 일반적으로 사용됩니다.

역률은 유효 전력과 피상 전력의 비율로, 인입 전력이 전기 장비에서 얼마나 효율적으로 사용되는지를 측정합니다. 이상적인 역률은 1입니다. 역률이 낮다는 것은 피상 전력이 유효 전력보다 높다는 것을 의미하며, 이는 특정 부하를 구동하는 데 필요한 전류를 증가시킵니다. 낮은 역률을 가진 부하에서 피크 전류가 높을 경우 전력선에서 고조파를 일으킬 수 있습니다. 전원 공급 장치는 일반적으로 사용자 역률에 대한 허용 가능한 범위를 지정합니다. AC/DC 전원 공급 장치는 PFC가 포함된 상태로 설계되어 있습니다(그림 4).

그림 4: 부스트 컨버터를 갖춘 AC/DC 전원 공급 장치에 구현된 일반적인 능동 PFC 단계 예가 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

그림 4에서 브리지 정류기 B1은 AC 입력을 DC로 변환합니다. MOSFET Q1은 PFC IC(표시되지 않음)에 의해 'on' 또는 'off'되는 전자 스위치입니다. MOSFET이 'on' 상태이면 인덕터를 통한 전류가 선형적으로 증가합니다. 이 시점에서 SiC 다이오드는 출력 커패시터의 전압(C_OUT)에 의해 역방향 바이어스되며, SiC 다이오드의 낮은 역방향 누설로 인해 누설 손실이 최소화됩니다. MOSFET이 'off' 상태이면 인덕터가 순방향 바이어스 출력 정류기 다이오드를 통해 C_OUT에 선형적으로 감소하는 전류를 제공합니다.

CCM PFC 회로에서 인덕터 전류는 전체 스위칭 주기 동안 0으로 떨어지지 않습니다. CCM PFC는 수백 또는 그 이상의 와트를 공급하는 전원 공급 장치에 일반적으로 사용됩니다. MOSFET 스위치는 PFC IC에 의해 펄스 폭이 변조(PWM)되어 전원 공급 회로의 입력 임피던스가 순수 저항(역률 1)으로 나타나고 피크 전류와 평균 전류의 비율인 파고율이 낮게 유지되도록 합니다(그림 5).

그림 5: CCM PFC 부스트 회로의 순간 전류 및 평균 전류. (이미지 출처: Vishay Semiconductor)

인덕터 전류가 0에 도달하고 다이오드가 바이어스되지 않은 상태로 전환되는 불연속 및 임계 전류 작동 모드와 달리, CCM 회로의 인덕터 전류는 0으로 떨어지지 않으므로 스위치 상태가 변경될 때 인덕터 전류가 0이 아닌 상태가 됩니다. 다이오드가 역상태로 전환되면 역회복으로 인해 큰 손실이 발생합니다. MPS SiC 다이오드를 사용하면 이러한 손실이 제거됩니다. MPS SiC 다이오드 사용으로 인한 스위칭 손실 감소는 다이오드와 능동 스위치 모두의 칩 크기 및 비용 감소라는 이점을 제공합니다.

결론

Si와 비교하여, Vishay의 MPS SiC 쇼트키 다이오드는 더 작은 패키지로 더 높은 순방향 전류 정격, 더 낮은 순방향 전압 강하, 감소된 역회복 손실을 제공하며 온도 정격은 더 높습니다. 따라서 스위치 모드 전원 공급 장치 설계에 사용하기에 적합합니다.