超級勢壘整流器實現設計自由效率及可靠性

作者 : Shane Timmons,Diodes產品行銷經理

在既有技術基礎上,功率半導體代代相傳,為了提升能源效率努力不懈。一種採用專有技術製作的超級勢壘整流器(SBR),可大幅改善電源供應器的性能及效率;其用法與蕭特基二極體相同,在各種應用中(如汽車照明、再生能源及消費電子產品等)提供顯著而即時的增益效果…

幾乎在所有類型的電氣和電子系統 (例如行動智慧電子產品、車用電子裝置、智慧建築及資料中心等) 中,功率效用極大化已成為設計人員的主要考量因素。較佳的功率利用效率除了能夠提高能源等級,還能簡化散熱管理、縮減系統體積與重量,並維持較長的電池使用時間。

鎖定車用照明

在汽車產業中,LED車燈由於能降低車輛的電能消耗,所以逐漸取代傳統式車燈。由於能源效率觀念普及,越來越多消費者了解混合動力車(HEV)和電動車(EV)的特點,以及電能動力與節省燃油之間的關聯——或稱之為「續航力」(driving range)。

為了增加市場吸引力,汽車業持續致力改善LED車燈系統的效率,晝行燈(DRL)更成為其中的重點。DRL會在車輛行駛期間開啟,主要提供安全功能,同時也能形成特定車款或品牌的標誌性外觀。由於 DRL「常時開啟」,改進LED DRL的方法之一即是提高LED驅動器/控制器電路中的功率轉換效率。

降壓/升壓電路普遍出現於汽車產品應用中,作為各種應用的DC-DC轉換之用,例如供應LED燈串的驅動電壓。例如,1顯示Diode降壓/升壓LED驅動器/控制器(ZXLD1371)的簡單電路圖。在這類通用電路中,常包含一個MOSFET切換開關(Q1)和一個飛輪二極體(D1)。

1用於DRL的降壓/升壓LED驅動器簡單電路圖

在這個升壓轉換器中,MOSFET和飛輪二極體的峰值電流遠大於LED的平均電流,因此兩個元件的傳導和切換耗損對於轉換器整體耗電量影響甚大。

相較於傳統整流器二極體,蕭特基二極體的順向壓降(VF)較低、切換速度較快,因此效率突出,但缺點是反向漏電流偏高,並且會隨溫度升高遞增。

「超級勢壘整流器」(Super Barrier Rectifier;SBR)的行為特性類似蕭特基二極體,但用於切換開關轉換器時效率更高。雖然蕭特基二極體與SBR在順向電壓和反向復原時間表現不相上下(SBR構造緣故),但SBR漏電流較低,且不易受到升溫影響。SBR的雪崩耐量(avalanche capability)也明顯較佳,因此更耐用。 1列出影響SBR與蕭特基二極體抵銷突波電壓能力的重要參數,兩者的反向電壓與電流額定值相似。

 

 

超級勢壘整流器

(SBR10M100P5Q)

10A/100V

特基二極體

典型順向電壓VF(V)(IF 1A@85˚C) 0.50 0.50
典型順向電壓VF(V)(IF 10A@85˚C) 0.70 0.72
典型漏電流 IR(µA) @85˚C 1.7 18
典型漏電流 IR(µA) @125˚C 15 300
雪崩能量 EAS(mJ) 400 20
IFSM(A)(方波,8.3ms/10ms) 220 200
反向復原時間 trr (nS) (IF=3A, di/dt=50A/µs, VR=50V@85˚C) 28.3 33.2
反向復原電荷 Qrr (nC) (IF=3A, di/dt=50A/µs, VR=50V@85˚C) 9.4 14.1

表 1:SBR與典型蕭特基二極體比較。

SBR奧祕

SBR 是 Diodes的獨有專利技術,以金屬氧化物半導體(MOS)製程生產。MOS具有的通道可形成多數載子的低勢壘,因此在低電壓時,SBR與蕭特基二極體的順向偏壓特性類似。但由於SBR的P-N空乏層重疊,加上沒有勢壘降低,因此可大幅降低漏電流。

SBR與蕭特基二極體在電路圖中使用相同的符號。實際SBR內部構造類似一個閘極和源極端子相接的MOSFET,相接端子即為SBR的陽極。MOSFET的汲極為SBR的陰極。

SBR優異的溫度穩定性和雪崩耐量使其具有低漏電流優勢,在任何電路中,SBR表現行為都與二極體相同,因此可直接取代蕭特基二極體。SBR能立即改善效率並降低裝置表面溫度,進而簡化散熱管理、提高可靠度,並且不需重新設計PCB或新增其他元件。

效率提升,運轉降溫

1為降壓/升壓DRL電源供應器中的SBR與蕭特基二極體比較表,使用相同之電源供應器,其控制單元為1之ZXLD1371。由23可看出在高溫環境下,SBR的效率優勢更為顯著,蕭特基電路效率衰減降幅最高可達6%。

2環境溫度 25°C 時的效率比較

3環境溫度85°C時的效率比較

兩種電路效率對應環境溫度的曲線圖(4)顯示,效率因溫度升高遞減的綜合原因是二極體VF上升、漏電流、開關切換耗損以及系統整體耗損。與蕭特基二極體電路相比,SBR出色的溫度穩定性,可使效率損失降至最低

4環境溫度越高,SBR效率優勢越顯著

SBR的優異效率帶來雙重利益,節省能源及保持較低的裝置運轉溫度。 5為裝置表面溫度曲線,可看出在環境全域溫度範圍中,SBR始終比蕭特基二極體低5°C左右。較低的溫度提供DRL設計人員彈性空間,不但能妥善配置散熱器尺寸與成本,又可獲得理想的系統可靠度。

5SBR裝置表面溫度較低,有利於散熱管理及可靠度設計

可依需求從10V升級至300V

經最佳化的Q系列 SBR滿足汽車產品應用所需,其他SBR產品並涵蓋各種電壓額定值和封裝形式,為工業、消費性電子產品、通訊和電腦系統等領域以及環境技術(如用於太陽能板中的旁通二極體),提供超凡的效率和可靠度。極低的VF可有效抑制升溫,保證系統可靠度;此外,大範圍的工作溫度可確保裝置符合太陽能產業安全標準 IEC 61730-2。

額定電壓 300V的裝置適合用於交換式電源供應器(SMPS)及太陽能逆變器。除了一流效率和較低的表面溫度,SBR 另具備高額定突波電流,可承受突發電流和雷擊等危害。

結論

在能源與效率意識抬頭的今日,SBR代表啟動功率轉換效能革新的重要一步。SBR以低漏電流、優秀的開關切換性能、相當甚或較低的VF值和傑出的溫度穩定性,針對各種產品應用提供傑出的效率,無需新增任何設計,可大幅縮短產品上市時程。此外,用於LED 車燈、消費電子產品轉接器以及再生能源系統之系統功率轉換器,可憑藉低工作溫度優勢展現一流的性能和可靠度,並達到最新環保設計目標和安全標準。

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