Діоди Шоттки від ST – найширший вибір

Сергій Агєєв (м. Москва)

Кремнієві силові діоди Шоттки вже багато років стали звичними компонентами. Широко відомі їх основні переваги - знижене (порівняно зі «звичайними» кремнієвими діодами) пряме падіння напруги і відсутність накопичення заряду, що затримує вимкнення діода (тобто потенційно кращі частотні властивості).

Однак ніщо у техніці не дається безкоштовно. За покращення одних властивостей завжди доводиться чимось платити, не лише грошима, а й зміною інших характеристик. Чим більше таких залежностей, тим більше виявляється «ступеня свободи» при оптимізації елемента під конкретне застосування. Не є винятком із цього правила та діоди Шоттки.

У конструкції «звичайних» діодів цих «ступенів свободи» загалом всього три, і вони мало впливають один на одного — площа p-n переходу, рівень легування (питомий опір) високоомної області та час життя неосновних носіїв. Пряме падіння напруги в режимі, що встановився, при заданому струмі залежить в основному від температури і площі p-n переходу, і то дуже слабо: від площі — за логарифмічним законом (мінус

20 мВ на подвоєння площі/зниження струму вдвічі), від температури - в межах +1...-2 мВ на градус. Питома опір матеріалу високоомной області у «звичайних» діодів завдяки ефекту модуляції провідності майже впливає пряме падіння напруги. Час життя носіїв визначає час зворотного відновлення діода на основі p-n переходу (і побічно його струм витоку).

Для діодів Шоттки час життя носіїв немає прямого впливу характеристики діода в робочих режимах, зате додається дві інших «ступеня свободи». Це вибір величини потенційного бар'єру (тобто фактично порогової напруги — і струму витоку) інеобхідність забезпечення захисту від перенапруг (незахищений перехід Шоттки, на відміну від звичайного p-n переходу, практично завжди виходить з ладу при пробої зворотною напругою). Саме тому всередині переважної більшості діодів Шоттки є ще й паралельно включений p-n перехідний «охоронний» діод Крім того, у діодів Шоттки є сильний зв'язок між питомим опором високоомної області та прямим падінням напруги на великих струмах (через відсутність механізму модуляції провідності). Відсутність ефекту модуляції провідності зменшує стійкість діодів до ударного струму, що змушує збільшувати площу переходу (знижувати щільність струму). Через це ємність діодів Шоттки, віднесена до одиниці номінального струму, зазвичай вище, ніж у звичайних діодів. Наочний приклад - UF4001 мають ємність близько 15...20 пФ,

1N5819 -3 близько 50...80 пФ (при зворотній напрузі 4 В). З тієї ж причини діоди Шоттки виготовляють з більш «щільним» поруч за величиною допустимої зворотної напруги - щоб не вводити зайвий запас, що збільшує прямий опір діодів.

Навіть із цього спрощеного опису видно, що у конструкції діодів Шоттки набагато більше варіантів для вибору компромісів, ніж у «звичайних» діодах.

Діоди Шоттки від STMicroelectronics

Одним із лідерів із випуску високоякісних діодів Шоттки є компанія ST Microelecronics (далі — ST), що входить до десятки лідерів у виробництві компонентів для силової електроніки (Див. табл. 1…5). Ряд продуктів ST просто унікальний: наприклад, ніхто більше не в змозі масово виробляти 30+30 А/170 діоди Шоттки в корпусі ТО-220.

Таблиця 1.Діоди Шоттки струм до 200 мА…1 А

Таблиця 2.Діоди Шоттки на струм до 2...3 А (включаючи здвоєні, для них даніодного діода)

Таблиця 3.Діоди Шоттки на струм до 2...3 А (включаючи здвоєні, для них дані одного діода)

Таблиця 4.Діоди Шоттки на струм до 10...25 А (включаючи здвоєні, для них дані одного діода)

Таблиця 5.Діоди Шоттки на струм до 30 ... 120А (включаючи здвоєні, для них - дані одного діода)

Позначення випрямних діодів Шоттки у ST складається з наступних елементів:

префікса STPS (ST Power Shottky);
першого числа, що вказує на номінальний струм в амперах;
необов'язкового суфікса (наприклад, H, L, M, S, SM, U), що вказує серію діодів: H - високовольтні / високотемпературні (Tj MAX = 150 ... 175 ° C), L - з низьким VF, U - Ultra Low VF ( щодо високовольтних діодів);
другого числа - допустимої зворотної напруги у Вольтах;
необов'язкового літерного позначення схеми з'єднань: із загальним катодом-C, одиночних у багатовивідному корпусі-S;
літерного позначення типу корпусу: A-SMA, AF-SMA Flat, B-DPAK, D-DO-220, DJF-PQFN8, FP-TO-220 ISO, G-D2PAK, H-IPAK, R-I2PAK, S-SMC , T-TO-220, TV-ISOTOP (SOT-227), U-SMB, UF-SMB Flat, W-TO-247, Y-MAX-247, Z-SOD123.

Приклад:STPS160U - діод Шоттки на 1 А, 60 В, в корпусі SMB.

При виборі діодів Шоттки потрібно чітко розрізняти дві групи областей застосування - відносно низькочастотну комутацію (OR-ing джерел живлення, сумування напруг, випрямлення 50/60 Гц з мінімальними втратами), де потрібні мінімальні втрати від прямого падіння напруги та/або струмів витоку, застосування високочастотних імпульсних перетворювачах, де важлива мінімальна величина загальних втрат, тобто потрібен мінімум суми статичних і динамічних втрат.

Діоди, оптимізовані для першої групизастосувань - це діоди з мінімальними прямими падіннями напруги, які отримують, як правило, за рахунок великих площ переходів (великих ємностей), або спеціальні мікросхеми з використанням керованого МОП-транзистора, що зовні виглядають як діод, але з надзвичайно малим падінням напруги. Приклад першого підходу - виріб ONSemiMBRB2515, з VF

250 мВ при струмі 56 А, і з ємністю переходу, що наближається до 10 нФ. Діод подібного класу від ST - STPS40L15CT, здвоєний і з приблизно вдвічі меншою ємністю переходів. Приклад другого підходу – діод від ST SPV1001T40, VF

80 ... 100 мВ при струмі 5 ... 6 А, 230 ... 250 мВ при струмі 15 А. Перевага цього рішення від ST очевидна.

Що ж стосується діодів Шоттки для застосування в DC/DC-конверторах, то загальні мінімальні втрати абсолютно необов'язково забезпечить діод з мінімальним VF. Особливо при широкому діапазоні навантажень (коли потрібно враховувати втрати не тільки від прямого падіння напруги, а й від струмів витоку - їхня величина експоненційно залежить не тільки від температури, а й від початкового падіння напруги). Пов'язано це з тим, що за зниження прямого падіння напруги доводиться платити або зростанням площі переходу (і ємності діода, що призводить до зростання втрат комутації, пропорційних fґСдU2/2), або різким зростанням струму витоку (коли для мінімізації прямого падіння напруги обрано практично нульове гранична напруга за рахунок підбору матеріалу контакту (метал-напівпровідник). Прикладом діода, що має мінімальні ємності, але невеликий діапазон робочих струмів і температур, може служити NXPPMEG1030 (3 A, 10 В), зворотний струм якого при температурі переходу 25...30°С становить близько 1 мА, але при 125 ° С досягає близько 100 мА (це не друкарська помилка!).

ST Microelectronics,як один із лідерів у силовій електроніці, пропонує, мабуть, найширшу в індустрії гаму діодів Шоттки на струми від 0,5 до 200 А, оптимізованих за співвідношенням статичних та динамічних втрат.

Звернемо, наприклад, увагу на серію ULVF.STPS50U100C - здвоєний (25+25 А) 100 В діод у корпусі ТО-220, що володіє одночасно низьким прямим падінням напруги (

600 мВ при 15 А/діод) і помірними як струмами витоку (

10 мА при 125°С), так і ємністю переходу (

2200 пФ при 0,

1500 пФ при 10 В, з різким зниженням вище 20 В до 300 пФ на 100 В). Втрати перемикання кожного такого діода на частоті 100 кГц становлять десяті частки вата, на частоті 500 кГц одиниці ват.

Далі, для найпопулярніших в даний час максимально компактних застосувань ST випускає серію 15/30 А діодів у корпусі для поверхневого монтажу Power Flat (PQFN8) - його висота трохи більше 1 мм, розмір у плані - 5х6 мм. ЦеSTPS15L30CDJF (7,5+7,5 А),STPS3045DJF, STPS30M100DJF, STPS30U100DJF, STPS30120DJF, STPS30170DJF. на металевій основі.

Для сильноточних застосувань ST виробляє найпотужніші діоди Шоттки з наявних в корпусах TO-220 (STPS40M100CT, STPS40120CT, STPS50U100C, STPS60H100CT, STPS60150CT, STPS60170CT, ST6 /MAX247 (STPS61H100CW , STPS80L60CW, STPS80H100CY, STPS80150CY, STPS80170CY ). Наявність таких потужних діодів у стандартних широко поширених корпусах дозволяє спростити та здешевити конструкцію пристроїв з їх застосуванням.

Для додатків, що вимагають ще більших струмів, ST випускає здвоєні діоди в ізольованому корпусі ISOTOP/ISOT4D (SOT227) - STPS80H100TV,STPS120L15TV, STPS12045TV, STPS160H100TV, STPS24045TV, STPS200170TV (струм до 100...120 А на діод, напруга 15...170 В).

Інший край асортименту - діоди, оптимізовані для малопотужних застосувань, такі як STPS0520Z (0,5 А, 20 В) - ємність

35 пФ при 20, VF

320 ... 350 мВ при 0,5 А, струм витоку

80 мкА при температурі переходу 30°З

5 мА за 100°С. Такі діоди завдяки малим ємностям і помірним витокам — дуже корисний компонент для найпоширеніших щодо малопотужних перетворювачів. Малі ємності дозволяють підняти робочу частоту без шкоди ККД. Аналогічну сферу застосування мають діодиBAT30, TMBAT49, TMBYV10-40, TMBYV10-60, BAT20, BAT60.

Природно, крім цих марочних продуктів, ST випускає аналоги популярних стандартних продуктів, від BAT30-0X, BAT41, BAT42, TMBAT49, TMBYV10-40, TMBYV10-60, BAT60, 1N5817-1N5819, 1N582> доMBR20100 (STPS20S100C ).

Дуже істотною особливістю більшості діодів Шоттки від ST є докладне нормування динамічних теплових параметрів і роботи в режимі лавинного пробою (абсорбції викидів перенапруг, що виникають, наприклад, на індуктивності монтажу). Це дозволяє використовувати діоди з меншою допустимою зворотною напругою, отримуючи виграш або у вигляді зниження втрат (за рахунок менших VF та/або Cд), або зниження вартості комплектуючих. Економія на вартості діодів можлива завдяки тому, що замість діодів з великою максимальною напругою часто можна вибрати діод, розрахований на меншу максимальну напругу і максимальний струм, але що забезпечує при даному робочому струмі те ж значення втрат і VF, що більш високовольтний, розрахований на більший струм. В результаті виходить, що можна або знизитивтрати у випрямлячах приблизно на 20…25%, або приблизно таку ж величину знизити вартість використовуваних діодів.

По-друге, слід пам'ятати, що нагрівання діодів Шоттки майже не впливає на пряме падіння напруги при великих струмах, але викликає різке зростання струмів витоків. Останнє небезпечне проявом ефекту саморозігріву зворотними струмами. Збільшення розміру радіатора, необхідне запобігання цього ризику, часто обходиться дорожче, ніж використання діодів на більший струм, мають менші статичні втрати. Нормування лавинних характеристик у діодів ST у цьому відношенні виявляється вельми доречним, оскільки дозволяє обійтися діодами на мінімальну зворотну напругу (і відповідно, як дешевшими, так і меншими за VF).

На закінчення варто сказати, що номенклатура швидкодіючих випрямних діодів, які виробляються ST, не обмежується діодами Шоттки. ST виробляє велику кількість Ultrafast-діодів (trr

50…80 нс), зокрема високовольтних (на напруги до 1200 У) і струми до 60 А/діод, 120 А корпус (серіяSTTH ). У ряді випадків їх застосування забезпечує ще менші динамічні втрати, ніж у діодів Шоттки (за рахунок менших ємностей переходів), див наприклад структуру PFC, описану в US pat.№ 6987379.

Звичайно, у виробничій програмі ST є і велика кількість «малосигнальних» діодів Шотки, таких якBAS70-0X, BAR18, TMM6263, TMMBAT41…43, TMMBAT46, TMMBAT48, BAT54.

Варто також відзначити, що багато виробників досі вважають зайвим надавати SPICE-моделі своїх діодів. У ST їх можна отримати на веб-сайті. Якість цих моделей, звісно, не ідеальне, але цілком придатні для оцінних розрахунків з «інженерної точністю», тобто. з похибками трохи більше 10…20%.

Примітки дотаблицям

1. Величини прямих падінь напруги дано температури переходу 25°С, максимальні значення (типові — на 50…80 мВ менше), із зазначенням струму в амперах. ТКН прямих напруг при малих струмах завжди негативний, але при великих струмах часто може ставати позитивним, особливо для діодів з UR & gt; 40 ... 60 Ст.

2. Величини зворотних струмів (IR) дано типові, в міліамперах.

3. IFSM - величина одноразового ударного струму у вигляді одного напівперіоду частоти 50 Гц, амплітудне значення.

4. Місткість діода - величина нелінійна, тут дана в пікофарадах при зворотній напрузі 4 В. Дозволяє оцінити порядок динамічних втрат перемикання (точніше, заряду перемикання) у більшості схем застосування.

5. "ВАХ" - умовний параметр. Якісно визначає поведінку діода при великих струмах. "R" - резистивний характер, "R+" - резистивний з помітним позитивним ТКН, "D" - "діодний" (сильно виражений вплив паралельного p-n перехідного діода), "D-" - діодний з вираженим негативним ТКН, "DеR" - щось середня.

6. Зірочкою («*») відзначені здвоєні діоди.

Література

1. «Ідеальні діоди» від компанії STMicroelectronics - Джафер Меджахед, Дмитро Цвєтков/Новини електроніки, 2009 №14, c.23-25.