SiGe 정류기 사용을 통해 고온 응용 분야에서 고효율 AC/DC 작동 보장

최근까지, 엔지니어에게는 고속 스위칭 AC/DC 전원 공급 장치의 심장인 다이오드 기반 정류기에 대해 일반적인 두 가지 옵션으로 쇼트키 정류기와 고속 회복 정류기가 주어졌습니다. 쇼트키 정류기는 저손실 스위칭과 우수한 효율을 제공하지만 자동차 LED 헤드램프 또는 전자 제어 장치(ECU)와 같은 상승 온도로 인해 설계에 열 폭주가 발생할 수 있습니다. 고속 회복 다이오드는 더 높은 온도에서 더 안정적이지만 효율성이 떨어집니다.

실리콘 게르마늄(SiGe) 정류기는 새로운 세 번째 옵션을 제공하며, 쇼트기 정류기와 고속 회복 장치의 우수한 특성을 결합하여 다른 유형의 여러 절충점을 제거합니다. 특히, SiGe 정류기는 높은 열 안정성을 제공하므로 상승 온도 응용 분야에 적합한 옵션이 됩니다.

이 기사에서는 정류기 기본 사항 및 이와 연관된 과제들을 간략하게 논의합니다(예: 일반 쇼트기와 고속 회복 정류기 비교). 그런 다음 SiGe 정류기 아키텍처가 이 둘의 이점을 결합하는 방법을 보여줍니다. 또한 Nexperia의 예시 장치를 사용하여 주요 SiGe 정류기 특성을 소개하고 SiGe 장치를 사용하여 고성능, 고속 스위칭, AC/DC 응용 제품과 관련한 문제를 해결하는 방법을 설명합니다.

정류기에 대한 기본 사항

정류기는 전원 공급 장치의 필수 회로로, AC 입력 전압을 DC 전압 공급 장치로 변환하여 전자 부품에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 많은 토폴로지(예 : 반파 및 전파 정류기)가 있지만 정류기의 핵심 구성 요소는 하나 이상의 다이오드입니다.

가장 간단한 형태의 다이오드는 도핑된 실리콘(Si) p-n 접합입니다. 다이오드의 고유한 "장벽 전위" 또는 순방향 전압 강하(Si 다이오드의 경우 약 0.7V)를 극복하기에 충분한 전압에서 다이오드가 순방향 바이어스되면(전원의 양극 단자는 부품의 p형 측에 연결되고 음극 단자는 n형 측에 연결됨) 큰 순방향 전류(I_F)가 흐릅니다. I_F는 이제 전원 공급 장치의 증가된 전압(V_F)에 비례하여 상승합니다. 장벽 전위를 넘어설 경우 V_F 대 I _F 곡선의 기울기는 대개 다이오드의 벌크 저항에 의해 결정되지만, Nexperia의 BAS21H(그림 1)에 표시된 것처럼 일반적으로 매우 가파릅니다. 이런 이유로, 다이오드는 종종 장치 과전류 보호를 위해 저항기와 직렬로 연결됩니다.

그림 1: Nexperia의 BAS21H 스위칭 모드에 대한 V_F 대 I_F 특성. 이 p/n형 Si 다이오드에 대해 약 0.7V에서 전도가 어떻게 시작되는지 확인하십시오. (이미지 출처: Nexperia)

전압이 반전되면(V_R), 대응되는 낮은 역누설 전류(I_R)가 발생합니다. I_R은 작동 온도가 낮은 경우에는 미미하지만, 온도에 종속적이므로 높은 작동 온도에서는 큰 문제가 될 수 있습니다. V_R이 높은 경우, 다이오드가 애벌런치 모드로 전환되어 종종 부품에 영구 손상을 일으키기에 충분한 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이 역전압 임계값을 항복 전압(V_br)이라고 합니다. 제조업체는 일반적으로 규격서에서 안전 마진을 허용하기 위해 V_br보다 낮은 작동 피크 역전압(V_rmax)을 권장합니다(그림 2).

그림 2: p/n형 다이오드 V-I 곡선에 대해 주요 파라미터가 표시되어 있습니다(예: 순방향 전압(V_F), 역전류(I_R), 항복 전압(V_br)). (이미지 출처: Wikipedia)

스위칭 응용 제품에서 역방향 바이어스가 플립되면 역방향으로 상당한 전류가 흐르도록 다이오드에 충분한 전하가 남아 있습니다. 이 역회복 시간(t_rr)은 특히 고주파 응용 제품에서 중요한 설계 파라미터입니다. 다이오드 접합을 형성하는 p형 및 n형 반도체에 금 또는 백금과 같은 추가 도펀트를 사용하면 t_rr이 크게 단축됩니다. 이러한 재료를 사용하는 소위 고속 회복 다이오드는 수십 나노초(ns) t_rr을 제공합니다. 이 고속 스위칭 성능으로 나타나는 단점은 V_F가 증가한다는 것입니다. 일반적으로 0.7V에서 0.9V로 상승할 수 있으며 이에 따라 효율성이 감소합니다. 그러나, 고속 회복 다이오드의 I_R은 일반적인 p/n형 Si 다이오드와 유사하게 유지됩니다.

실제 응용 분야에서 다이오드의 특성은 큰 전류가 한 방향으로만 흐르도록 허용하여 정현파 AC 파의 음의 절반을 차단함으로써 전압 소스를 DC 공급으로 효과적으로 정류합니다.

열 설계 과제

AC/DC 변환 응용 제품에서 엔지니어는 일반적으로 전력 손실을 줄이고 열 문제를 제한할 수 있는 가장 효율적인 부품을 찾습니다.

V_F는 다이오드의 효율성을 결정하는 데 가장 중요한 인자입니다. 쇼트키 다이오드는 금속/n형 Si 대체품으로 p형 및 n형 Si 접합을 대체하여 표준 다이오드에 대한 개선을 나타냅니다. 결과적으로, 순방향 전압이 0.15V ~ 0.45 V 사이로 줄어듭니다(장벽 재료 선택에 따라 다름). 쇼트키 다이오드의 추가적인 이점은 매우 빠른 t_rr입니다(약 100피코초(ps)). 이러한 특성으로 인해 쇼트키는 고주파 스위치 모드 전원 공급 장치와 같은 응용 제품에서 널리 선택되는 정류기입니다.

그러나 쇼트키 정류기에는 큰 문제점이 있습니다. 예를 들어, 이 장치는 p/n형 Si 다이오드에 비해 V_rmax가 상대적으로 낮습니다. 두 번째로, 아마 더 중요할 수 있지만 쇼트키 정류기는 I_R이 상대적으로 높습니다. 이는 유사한 응용 제품에서 p/n형 Si 다이오드의 수 백 나노 암페어(nA)에 비해 수 백 마이크로 암페어(µA)까지 높을 수 있습니다. 더욱이, I_R은 접합 온도(T_j)에 따라 기하급수적으로 상승합니다(그림 3).

그림 3: Nexperia 1PS7xSB70 범용 쇼트키 다이오드에 대한 V_R 대 I_R 특성 I_R은 일반적으로 상응하는 p/n형 Si 다이오드보다 훨씬 높으며 온도에 따라 기하급수적으로 증가합니다. (이미지 출처: Nexperia)

다이오드 기반 정류기의 열 안정성은 I_R에 의해 생성되는 자체 발열과 시스템의 열 저항을 통해 열을 발산하는 정류기의 용량 간 섬세한 균형 조정을 통해 결정됩니다(그림 4). 정류기가 열 평형 상태에 있는 경우, T_j(열 “접지”로서 고정 주변 온도(T_amb)는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

여기서,

R_th(j-a) = 다이오드 접합과 주변 간의 열 저항

P_dissipated = 장치에서 소실되는 전력

그림 4: 작동 다이오드에 나타나는 열 저항이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Nexperia)

작동 시, 자체 발열을 통해 생성된 전력이 소실된 전력보다 낮은 경우 장치의 T_j는 안정적인 상태를 향해 수렴됩니다(그림 5). 그러나, 소실될 수 있는 이상으로 자체 발열이 생성되면 T_j가 증가하여 결과적으로 장치가 열적으로 불안정한 상태가 됩니다. 이 상태는 빠르게 열 폭주 상태로 전환되는데 I_R이 온도에 따라 기하급수적으로 증가하여 포지티브 피드백 루프를 효과적으로 트리거링하기 때문입니다.

그림 5: 예시 다이오드의 안정적 작동 상태는 다음에 대한 균형을 통해 결정됩니다. 열 저항을 통해 열을 소실하는 열 시스템의 기능(파란선 (1))과 자체 역누설 전류(I_R)( 및 스위칭 손실)에 의해 발생하는 정류기의 자체 발열(빨간선 (2)). 시스템 온도가 상승함에 따라 자체 발열이 기하 급수적으로 증가하여 열 폭주가 발생하는 과정에 유의하십시오. (이미지 출처: Nexperia)

145°C 이상의 온도에서 작동이 크게 저하되지 않는 한 응용 제품에 사용되는 쇼트키 다이오드가 높은 주변 온도에 노출될 경우 설계자는 높은 열 폭주 위험을 안게 됩니다. 이런 이유로, 엔지니어는 고속 스위칭 LED 구동기 또는 자동차 엔진 전자 제어 장치와 같은 응용 제품에서 쇼트키 다이오드를 피하는 경향이 있습니다. 따라서 지금까지 엔지니어에게는 I_R이 낮아 열 폭주에 훨씬 덜 취약하여 결과적으로 효율성을 크게 절충하지 않아도 되는 고속 복구 다이오드만 남아 있었습니다.

SiGe 정류기 대안

고온 및/또는 높은 V _rmax 설계를위한 고속 복구 다이오드의 좁은 선택 범위는 쇼트키와 고속 복구 다이오드의 장점을 단일 장치에 결합한 SiGe 다이오드 기술의 출현으로 확장되었습니다. 이러한 정류기는 쇼트키의 장벽 금속/n형 Si 접합을 SiGe/n형 Si를 기반으로 하는 접합으로 대체합니다(그림 6).

그림 6: 쇼트키 금속 장벽을 SiGe로 대체하는 SiGe 정류기 그 결과 밴드 갭이 더 작아지고, 전자 이동성이 증가되며, 고유 전하 캐리어 밀도가 높아집니다. (이미지 출처: Nexperia)

이름에서 알 수 있듯이 SiGe는 실리콘과 게르마늄의 합금입니다. 반도체의 주요 이점은 실리콘보다 더 작은 밴드갭(여기서 밴드갭은 반도체의 가전 자대와 전도대 간 전자 볼트(eV)의 에너지 차이임), 더 높은 주파수에서 전환할 수 있는 능력, 더 큰 전자 이동도, 더 높은 고유 전하 캐리어 밀도입니다. SiGe의 낮은 밴드갭은 Si/n형 SiGe 접합의 V_F를 약 0.75V로 낮추며 이는 고속 회속 다이오드보다 약 150mV 낮은 수치입니다.

실제로, 고속 회복 다이오드와 비교하여 낮은 V_F는 다이오드의 전도 손실을 약 20% 감소시킵니다. 부품 효율성은 응용 제품의 듀티 사이클을 비롯한 여러 요인에 따라 달라지지만 엔지니어는 유사 응용 제품에서 합리적으로 5% ~ 10%의 향상을 기대할 수 있습니다. 또한, SiGe 다이오드는 쇼트키 다이오드보다 낮은 I_R을 제공합니다(그림 7).

그림 7: SiGe 정류기는 쇼트키 장치보다 낮은 I_R(우수한 고온 작동을 위해)과 고속 회복 정류기보다 낮은 V_F(효율성 향상을 위해)를 제공합니다. (이미지 출처: Nexperia)

SiGe 다이오드는 높은 고유 충전 밀도와 전자/홀 이동도로 인해 낮은 t_rr을 제공하므로 고속 스위칭이 가능합니다. 이 고속 작동은 또한 상대적으로 낮은 기생 정전 용량 및 유도 용량으로 실현됩니다. 게다가, SiGe 다이오드는 비슷한 쇼트키 정류기와 비교하여 낮은 역회복 전하(Q_RR)와 낮은 역회복 전류(I_RR) 를 제공하므로 스위칭 손실이 적습니다. 이러한 스위칭 손실은 전체 손실에 주요 원인이므로 이는 고주파 응용 제품에서 매우 중요합니다. 낮은 I_R과 낮은 스위칭 손실의 조합은 열 폭주 문제를 거의 제거합니다.

SiGe 다이오드의 선택 및 사용

SiGe 트랜지스터는 여러 해 동안 시장에서 판매해 왔지만 SiGe 다이오드는 최근 도입되었습니다. 예를 들어, Nexperia의 PMEG120G10ELRX, PMEG120G20ELRX, PMEG120G30ELPJ SiGe 정류기는 크기 및 열 효율이 높은 클립 결합 FlatPower(CFP3) 및 CFP5 패키지로 제공되는 제품군에 속합니다(그림 8). 이 패키지는 전력 다이오드에 대해 업계 표준이 되었습니다.

그림 8: PMEG120G10ELRX SiGe 정류기는 열 전달을 부스팅하면서 공간을 절약하는 CFP5 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Nexperia)

이 패키지의 고체 구리 클립은 열 저항을 최소화하여 열 전달을 부스트하므로 설계자가 보다 콤팩트한 PC 기판 설계를 사용할 수 있습니다. SMA 및 SMB 패키지와 비교하여 CFP3은 정류기 공간 요구 사항을 38% 줄이고, CFP5는 최대 56% 줄입니다.

종종 새로운 기술이 도입될 때 설계자는 구현 변수에 대해 주의해야 합니다. Nexperia SiGe 다이오드의 경우 동일한 패키징이 회사의 쇼트키 및 고속 복구 다이오드에도 사용되어 LED 조명, 자동차 ECU, 서버 전원 공급 장치 및 통신 인프라를 포함한 고온 응용 제품에 대해 드롭인 교체할 수 있습니다.

SiGe 정류기는 최대 120V의 V_rmax(샘플링을 위해 150V 및 200V 버전 제공)를 제공하며 이는 대부분의 쇼트키 다이오드에 부과되는 100V 제한을 크게 능가하는 것입니다. 또한 이 장치는 열 폭주 또는 경감 없이 최대 200°C까지 테스트되었습니다(그림 9). 175°C의 부품 작동 온도 제한(안전 작동 영역 (SOA))은 다이오드가 아니라 부품 패키지에 의해 결정됩니다. 그림 10은 SiGe 다이오드의 열 폭주 내성이 쇼트키 다이오드에 비해 더 확장된 안전 작동 영역을 허용하는 방식을 보여줍니다.

그림 9: Nexperia SiGe 정류기는 높은 온도에서 쇼트키 정류기의 열 폭주로 인한 영향을 받지 않습니다. (이미지 출처: Nexperia)

그림 10: 쇼트키 정류기와 비교하여 열 폭주 내성을 톻해 안전 작동 영역이 확장된 SiGe 정류기 (이미지 출처: Nexperia)

Nexperia SiGe 정류기는 0.2nA의 낮은 I_R에서 1A, 2A, 3A의 I_F 성능을 제공하며(V_R = 120V(펄스형), T_j = 25°C), 상승 온도에서 최대 10µA까지 상승합니다(V_R = 120V(펄스형), T_j = 150°C). 쇼트키 다이오드와 같이 정류기는 낮은 스위칭 손실과 6ns의 t_rr로 고속 스위칭 옵션에 좋은 선택입니다. 이 제품은 AEC-Q101 인증을 획득했습니다.

결론

쇼트키 정류기는 효율적이 고주파 AC/DC 컨버터에 대해 입증된 옵션이지만 상대적으로 높은 I_R은 고온 응용 제품을 손상시키는 열 폭주를 일으킬 수 있습니다. 결과적으로 설계자는 고온 스위칭 컨버터를 위해 효율은 떨어지지만 열적으로 안정적인 고속 회복 다이오드를 사용해야 했습니다.

그러나 위에 언급한 것처럼 변환기의 입증된 SiGe 기술이 다이오드에서 상업적으로 사용 가능하게 되었습니다. 이 새로운 클래스의 장치는 쇼트키 장치의 효율성과 고속 스위칭 특성을 고속 회복 다이오드의 열 안정성과 결합합니다. 따라서 LED 조명, 자동차 ECU, 서버 전원 공급 장치 및 통신 인프라와 같이 고온 환경에 사용되는 설계에 적합한 솔루션을 제공합니다.