導入事例

現代の電力電子機器は、高効率、信頼性、およびコンパクト性を達成するために、半導体デバイスのシームレスな統合に依存しています。 電力ダイオード、最も簡単な単方向スイッチは、多くの場合、トランジスタ、サイクター、およびゲートドライバと組み合わせて、電圧スイック、ステア電流、および条件波形を管理することができます。 適切に統合すると、これらのダイオードは単に保護されません。 彼らは積極的に、スイッチングトランジションを改善し、損失を減らし、より高い周波数操作を有効にします。 この記事では、半導体デバイス、新興技術、およびパワーデバイスへのアップグレードに関する基本的な利点を探求します。

パワーダイオードの理解:タイプおよび特徴

ダイオードは、すべてのパワーダイオードが異なっています。 ダイオードタイプの選択は、統合動作に大きく影響します。 主なタイプは次のとおりです。

  • Schottky障壁のダイオード(SBDs):の低い前方電圧低下(<0.5 V)およびnegligibleの逆の回復充満はそれらに高周波切換え回路のための理想をします。しかし、逆の漏出流れおよび下方故障電圧限界の塗布の下の~200 V。
  • []PiN(またはP-i-N)ダイオード:[[[]]高圧機能(複数のキロまで)と堅牢なサージ処理、しかし、保存された充電のために重要な逆回復電流に苦しむ、スイッチングロスが増加します。
  • ゼインダイオード:]] 電圧クランプおよび参照のための逆の故障で作動します; 敏感なトランジスタゲートを保護するためのゲート ドライバーに統合される。
  • 超高速回復エピタキシャルダイオード(FREDs):[]] 保存された充電で軟質回復のために最適化され、中電圧、中流周波数アプリケーション用のSchottkyとPiNの間のギャップを埋めます。

これら特性を理解することは、 統合方法 - 対比、シリーズ、またはモジュール内のかどうか - ダイオードの切り替え速度、熱プロファイル、および電圧クラスと合わせるだけです。 ダイオードの選択の詳細については、 []]Infineonのパワーダイオードポートフォリオ[] 詳細なアプリケーションノートを提供します。

半導体とパワーダイオードを他の半導体と統合する利点

トランスイストの横にダイオードを配置するのではなく、インテグレーションが進んでいます。設計エンジニアが2つを慎重に調整する際に、次の利点が実現されます。

  • [] 削減されたスイッチング損失:[] ダイオードは、IGBTまたはMOSFETの電源オフ時に電圧オーバーシュートとリングを最小限に抑え、安全な動作領域(SOA)を上回らない高速切り替えを可能にします。
  • 電圧トランジェントに対する強化保護:[]スヌーバーダイオードは、モーター、変圧器、および寄生虫誘導器から誘導キックバックをクランプし、メインスイッチを保護します。
  • 熱性能を向上:[ スイッチ付き共包装ダイオードはヒートシンクをシェアし、熱抵抗を低減し、高出力密度を実現しました。
  • 簡易ゲートドライブ設計:[]] ブーツストラップダイオードは、外部コンポーネントを排除し、パラシティックインダクタンスを削減し、ハイサイドゲートドライバーに直接統合します。
  • EMIの低い:[]] 速い回復かショットキーのダイオードは、実行された、放射されたEMIの主要な源である逆の回復現在のスパイクを、減らします。

これらの利点は、データセンター電源から電気自動車のトラクションインバータに至るまで、よりコンパクトで信頼性が高く、効率的な電力変換器に直接翻訳します。

一般的な統合技術の詳細

並列とシリーズの構成

シリーズ接続ダイオードは、電圧遮断機能を高めますが、静的および動的電圧共有は、バランス抵抗またはスヌーバーを使用して管理する必要があります。並列接続されたダイオードは、電流容量を増加させますが、前方電圧低下が一致しない場合、熱的暴走が起こることがあります。正温度係数(例えば、SiC Schottky)は、並列動作に最適です。高電流整流器では、並列ダイオードは、多くの場合、現在の共有インダクタと組み合わせられます。

MOSFETとIGBTのペアリング

最も注目すべき統合の1つは、パワースイッチを渡る抗平行(またはフリーホイール)ダイオードです。 MOSFETの場合、内部ボディダイオードは使用できますが、その低速逆回復(特に高電圧デバイス)は、クロス・コントロールと損失を引き起こします。 ボディダイオードと並列に外部のショットキーダイオード - 多くの場合、デッドタイム中にダイバート電流を反転し、逆回復損失を削減します。 IGBTモジュールでは、PiN電圧は、ゼロからゼロからゼロまで、同じ方向に回転する、および同じ方向に回転する、および回転するような干渉を防止します。

統合されたパワーモジュールとパッケージ

6パックの IGBT やデュアルフェーズ MOSFET モジュールなどのパワーモジュールは、一般的な基質(例えば、DBC 直結合銅)にダイオードとスイッチを組み込んでいます。この統合はループインダクタンスを最小限に抑え、熱管理を改善し、アセンブリコストを削減します。最近の革新には、 を焼結させたダイアタッチと シリコンモジュール [SiC] を変換し、アセンブリのコストを削減します。 [FLTFLT] は、SSH[F] を完全に補正する] と SLT を組み合わせて、SSHF] を強制的に補正します。

設計検討と課題

パラシティック効果とEMI

ダイオードとスイッチ間のループインダクタンスは、電源オフ時に電圧リングを作成します。 トランジスタターミナルにできるだけ近いようにダイオードを配置することにより、ループ領域を最小化することは不可欠です。 スヌーバー回路(RCDまたはRC)が必要な場合は、電源損失を追加します。 高度な統合は、ケルビンのソース接続やラミネートされたバスバーなどの低インダクタンスレイアウトを使用します。

熱経営

ダイオードとスイッチの両方が熱を発生させます。同じヒートシンクにコロケーションすることで、相互加熱、接合温度を上げることができます。適切な脱着と熱シミュレーションが必要です。高出力アプリケーションでは、アクティブ冷却(例えば、液体ループ)が必要となる場合があります。]熱インタフェース材料(TIM)を使用して、高い導電性が役立ちます。

頻度および逆の回復を転換して下さい

周波数の切り替えが増加する(例、LLCコンバーターの>100 kHz)、逆回復損失が優勢になるように。 統合は、SchotkyまたはSiCダイオードを好む必要があります。 ソフトリカバリー動作もリングとEMIを削減します。 転送電圧低下と回復充電の間の取引オフは、主要な設計決定です。

現代パワーエレクトロニクスの応用

スイッチモード電源

オフラインのフライバックコンバーターでは、統合された出力整流器(同期整流のダイオード+ MOSFET)は、効率を飛躍的に向上させます。ブーストPFCステージでは、ブーストインダクタでシリーズ内の高速ダイオードを使用します。 SiCダイオードは98%以上の効率性を高めることができます。 ダイオードとMOSFET間の相乗効果により、高周波数LLC共鳴コンバータはゼロ電圧切換(ZVS)で使用できます。

モーター ドライブおよびインバーター

可変速度ドライブ用の三相インバータは、各IGBTまたはMOSFETの抗パラレルダイオードに依存しています。 ダイオードは、スイッチとして同様の通勤条件に耐える必要があります。 現代のドライブは、内蔵のNTCサーミスタと内蔵のデュアルIGBTモジュールを内蔵して使用しています。 適切なダイオードは、シュートスルーを防ぎ、デバイス寿命を延ばします。

再生可能エネルギーシステム

ソーラーインバータと風力タービンコンバータは、DCリンククランプとフリーホイール用の高電圧ダイオードを必要とします。 MPPTブーストステージ内のSiCダイオードの統合は損失を減らし、より小さな磁気を可能にします。 エネルギーストレージシステムは、ダイオードとトランジスタが充電と排出のために一緒に動作する双方向コンバータを使用します。

自動車・電気自動車

EVトラクションインバータは、最も要求の厳しいアプリケーションです。高電圧(400〜800 V)、高電流(アンペアのハンター)、および厳格な信頼性。 高度な統合は、SiC MOSFETsの共同パッケージを低インダクタンスモジュールでSiC Schottkyダイオードと使用しています。 オンボード充電器は、統合されたPFCダイオードと同期整流器を使用します。 詳細なケーススタディについては、 V]自動車用ノート:1:[FLT]を参照してください。

トレンドと未来の方向性を融合

半導体ダイを1つの半導体ダイとダイオードとトランジスタが共有する、高効率と電力密度へのプッシュがモノリシックな統合を駆動しています。例えば、]のダイオードと、GANのパワーICが統合されたSchoottkyダイオードで、非常に高速な回復を実現しました。しかし、いくつかのトップの外部ダイオードの必要性を抑える、Schottkyの拡張機能が、Schottkyの用途に有益です。

もう一つの傾向は、高度なパッケージングを使用して、パワーモジュールに埋め込まれたダイオードです。 (例えば、3D統合、PCB埋め込まれたダイ)。 これらは、相互接続のインダクタンスを減らし、熱性能を向上させます。 設計ツールは現在、設計段階の初期にダイオードスイッチの相互作用を最適化するために、寄生虫抽出と共同シミュレーションを組み込んでいます。

コンテンツ

他の半導体デバイスとパワーダイオードを統合することは、もはや求められていません。優れた回路性能を実現する中央設計戦略です。 重要なループと熱管理のレイアウトにダイオードタイプ(Schottky、PiN、SiC)の選択から、すべての決定は効率、EMI、および信頼性に影響を与えます。 パワーエレクトロニクスは、幅広いバンドギャップ半導体と効率的なスイッチング周波数に対して移行するにつれて、慎重に統合されたダイオードの役割はさらに、より顕著になります。 エンジニアは、これらの世代の技術を設計し、そして、次世代の技術を設計する予定です。