在高温应用中使用 SiGe 整流器实现高效率、AC／DC 操作

作者：Steven Keeping

直到最近，工程师们在快速开关式 AC/DC 电源的核心部件——基于二极管的整流器上还面临着两种传统的选择：肖特基整流器或快速恢复整流器。肖特基整流器具有低开关损耗和良好的效率，但在像汽车 LED 前灯或电子控制单元 (ECU) 这样的温度较高的设计中，会出现热击穿。快速恢复二极管在高温下更稳定，但效率较低。

硅锗 (SiGe) 整流器提供了新的第三种选择，通过将肖特基整流器的最佳特性与快速恢复器件结合在一起，消除了其他类型的许多折中处理。尤其是 SiGe 整流器具有高热稳定性，使之成为高温应用的绝佳选择。

本文将简要讨论整流器基础知识和相关挑战，并对传统肖特基和快速恢复整流器进行了比较。然后，说明 SiGe 整流器架构是如何将这两个优点结合在一起的。最后以来自 Nexperia 的器件为例，略述了 SiGe 整流器的关键特性，以及如何运用 SiGe 器件解决高温、快速开关、AC/DC 应用的相关问题。

整流器的基础知识

整流器是电源的基本电路，它用于将交流输入电压转换为直流电压供电，然后用于为电子元件供电。虽然有很多拓扑结构（如半波和全波整流器），但整流器的关键部件就是一个或多个二极管。

最简单的二极管形式是掺杂硅 (Si) p-n 结。当二极管通过足够电压实现正向偏压（电源的正极端子连接到元件的 p 型侧，负极连接到 n 型侧）以克服二极管固有“势垒电位”或正向压降（对于硅二极管来说，约为 0.7 伏）时，就会出现很大的正向电流 (IF) 流动。IF 则随电源电压 (VF) 的增加而升高。在势垒电位以上，VF 相对 IF 曲线的梯度主要由二极管的体积电阻决定，但通常非常陡峭，如 Nexperia 的 BAS21H 所示（图 1）。因此，二极管常与电阻串联，用于器件过流保护。

图 1：Nexperia 的 BAS21H 开关二极管的 VF 相对 IF 特性。请注意这种 p/n 型硅二极管是如何在约 0.7 伏时开始导通的。（图片来源：Nexperia）

当电压反向 (VR) 时，会出现相应的低反向漏电流 (IR)。在低工作温度条件下，IR 是微不足道的，但由于它与温度有关，在较高的工作温度下，它可能成为一个问题。当 VR 较大时，二极管就会进入雪崩模式，流过的电流很大，往往足以永久损坏元件。这个反向电压阈值称为击穿电压 (Vbr)。在其规格书中，制造商通常会建议工作峰值反向电压 (Vrmax) 小于 Vbr，以留出安全裕量（图 2）。

图 2：显示了p/n 型二极管 V-I 曲线的主要参数，包括正向电压 (VF)、反向电流 (IR) 和击穿电压 (Vbr)。（图片来源：维基百科）

在开关应用中，一旦反向偏置被翻转，二极管上仍有足够的电荷，允许大量电流反向流动。这个所谓的反向恢复时间 (trr) 是一个重要的设计参数，特别是对于高频应用来说。在形成二极管结的 p 型和 n 型半导体中使用额外的掺杂物，如金或铂，可显著缩短 trr。使用这些材料的所谓快速恢复二极管特性之一就是 trr 只有几十纳秒 (ns)。这种快速开关性能取舍增加了 VF；通常会从 0.7 伏上升到 0.9 伏，效率也会随之下降。然而，快速恢复二极管的 IR 仍与传统的 p/n 型硅二极管相似。

在实际应用中，二极管的特性使得大电流只能向一个方向流动，阻断了正弦交流波的负半部分，有效地将电压源整流为直流供电。

热设计挑战

在 AC/DC 转换应用中，工程师们通常会寻找最有效的元件，以减少功率耗散和限制热问题。

VF 是决定二极管效率的最重要因素。肖特基二极管通过用金属/n 型硅结构替代 p 型和 n 型硅结，是对标准二极管的改进。因此，正向电压降降低到 0.15 至 0.45 伏之间（取决于势垒金属的选择）。肖特基二极管的另一个优势是具有非常快的 trr（约 100 皮秒 (ps) 级）。这些特性使肖特基成为如高频开关模式电源之类应用的常见整流器选择。

但肖特基整流器有明显的缺点。例如，与 p/n 型硅二极管相比，它具有相对较低的 Vrmax。其次，也许更为关键，肖特基整流器具有相对较高的 IR，可高达数百微安(μA)，而在同类应用中，p/n 型硅二极管的 IR 仅为数百纳安 (nA)。更糟糕的是，IR 随结温 (Tj) 呈指数级攀升（图 3）。

图 3：Nexperia 1PS7xSB70 通用肖特基二极管的 VR 相对 IR 特性。IR 通常比等效的 p/n 型硅二极管高得多，并且随着温度的升高而指数级增加。（图片来源：Nexperia）

二极管整流器的热稳定性取决于 IR 所产生自热的微妙平衡以及整流器通过系统热阻进行散热的能力（图 4）。如果整流器处于热平衡状态，则 Tj（以固定环境温度 (Tamb) 为热“接地”）可描述为：

其中：

Rth(j-a) = 二极管结与环境之间的热阻
Pdissipated = 器件的耗散功率

图 4：所示为工作二极管所呈现的热阻。（图片来源：Nexperia）

在运行中，只要自热产生的功率小于耗散功率，器件的 Tj 就会向稳定状态收敛（图 5）。然而，如果产生的自热超过了可以耗散的量，Tj 就会增加，直到器件最终变得热不稳定。这种情况很快就变成了热击穿，因为 IR 随着温度成倍增加，有效地触发正反馈回路。

图 5：示例二极管的稳定工作状态由以下两方面的平衡决定：热系统通过热阻（蓝线 (1)）散热的能力，以及整流器自身的反向漏电流 (IR)（和开关损耗）引起的自热（红线 (2)）。请注意自热是如何随着系统温度的升高而成倍增加并导致热击穿的。（图片来源：Nexperia）

如果应用中使用的肖特基二极管受到高环境温度的影响，设计者将面临很高的热击穿风险，除非其工作在 145°C 以上温度的风险显著降低。因此，在快速开关 LED 驱动器或罩下汽车电子控制单元等应用中，工程师们往往避免使用肖特基二极管。到目前为止，工程师们只能选择快速恢复二极管。这种二极管的特点是 IR 低，因此更不容易出现热击穿，但与之相伴的是效率的降低。

SiGe 整流器的替代品

对于高温和/或高 Vrmax 设计来说，快速恢复二极管的选择范围较窄，而 SiGe 二极管技术的出现，综合了肖特基和快速恢复二极管的优点，扩大了选择范围。这些整流器将肖特基的势垒金属/n 型硅结替换为基于 SiGe/n 型硅结（图 6）。

图 6：SiGe 整流器用 SiGe 取代了肖特基金属势垒。其结果带来的是更小的带隙、更大的电子迁移率和更高的本征电荷载流子密度。（图片来源：Nexperia）

SiGe，顾名思义，就是硅和锗的合金；该半导体的主要优点是带隙较小（带隙是指半导体价带和导带之间的电子伏特 (eV) 的能量差），能够在更高的频率下切换，电子迁移率更大，本征电荷载流子密度比硅高。SiGe 较低的带隙使得 Si/n 型 SiGe 结的 VF 降低到 0.75 伏左右，比快速恢复二极管低 150 毫伏 (mV) 左右。

在实际应用中，与快速恢复二极管相比，较低的 VF 可使二极管的传导损耗降低 20% 左右。虽然组件效率取决于多种因素，包括应用的占空比，但工程师可合理地期望在同类应用中提高 5% 到 10%。此外，SiGe 二极管具有比肖特基二极管更低的 IR（图 7）。

图 7：SiGe 整流器比肖特基器件具有更低的 IR（可实现出色的高温操作能力），比快速恢复整流器具有更低的 VF（可实现更高的效率）。（图片来源：Nexperia）

由于 SiGe 二极管具有较高的本征电荷密度和电子/空穴迁移率，因此具有低 trr，所以它能够进行快速开关。这种快速开关能力也是通过相对较低的寄生电容和电感实现的。此外，由于 SiGe 二极管比同类肖特基整流器具有更低的反向恢复电荷 (QRR) 和更低的反向恢复电流 (IRR)，因此具有更低的开关损耗。这一点至关重要，因为在高频应用中，这些开关损耗是造成整体损耗的主要因素。低 IR 和低开关损耗的组合近乎完全消除热击穿风险。

SiGe 二极管的选择和应用

虽然 SiGe 晶体管已经上市好几年了，但 SiGe 二极管是最近才出现的。例如，Nexperia 的 PMEG120G10ELRX、PMEG120G20ELRX 和 PMEG120G30ELPJ SiGe 整流器属于一个家族，采用 Clip-bonded FlatPower (CFP3) 和 CFP5 封装，减少了尺寸，提高了热效率（图 8）。目前这种封装已经成为功率二极管的行业标准。

图 8：PMEG120G10ELRX SiGe 整流器采用 CFP5 封装，在节省空间的同时，也提升了传热效率。（图片来源：Nexperia）

该封装的实心铜夹最大限度地减少了热阻，提高了热传导，从而使设计人员能够使用更紧凑的 PC 板设计。与 SMA 和 SMB 封装相比，CFP3 减少了 38% 的整流器空间需求，而 CFP5 则可节省高达 56% 的空间。

通常在引入一项新技术时，设计者需要关注实现变量。就 Nexperia SiGe 二极管而言，其肖特基和快速恢复二极管也采用了相同的封装，可以实现高温应用的即插即用替代，包括 LED 照明、汽车 ECU、服务器电源和通信基础设施。

SiGe 整流器提供的 Vrmax 最高达 120 伏（150 伏和 200 伏版本可供样件），远远超出了大多数肖特基二极管规定的 100 伏限制。此外，该器件已通过最高 200℃ 的测试，没有出现任何热击穿或降额现象（图 9）。请注意，该元件的工作温度极限（安全工作区 (SOA)）为 175° C，与其说是由二极管决定，不如说是由元件封装决定。图 10 显示了与肖特基二极管相比，SiGe 二极管的耐热击穿能力如何使安全工作区域得到更大的扩展。

图 9：Nexperia SiGe 整流器在高温下不会出现肖特基整流器的热击穿现象。（图片来源：Nexperia）


图 10：与肖特基整流器相比，耐热击穿能力可使 SiGe 整流器的安全工作区域扩大。（图片来源：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（脉冲），Tj = 25°C），在高温（VR = 120 伏（脉冲），Tj = 150°C）下可上升至 10 μA。与肖特基二极管一样，整流器是快速开关选项的绝佳之选，开关损耗低，trr 为 6 ns。产品符合 AEC-Q101 标准。

结语

肖特基整流器是高效、高频、AC/DC 转换器的成熟选择，但其相对较高的 IR 会在高温应用中导致破坏性的热击穿。因此设计人员不得不在高温开关转换器中采用效率较低但热稳定性较高的快速恢复二极管。

然而，如上所述，采用晶体管上使用的成熟 SiGe 技术已经在二极管中实现了商业化。这类新型器件集肖特基二极管的效率和快速开关特性以及快速恢复二极管的热稳定性优势于一体。因此，它们为进入如 LED 照明、汽车 ECU、服务器电源和通信基础设施之类高温环境的设计提供了良好的解决方案。