Диоды Шоттки и быстрые диоды

В диоде Шоттки выпрямляющий контакт формируется между металлом и полупроводником. В обычном p-n-диоде переход образуют две области полупроводника с разными типами проводимости. Разница структуры определяет динамическое поведение компонентов.

Ток через барьер Шоттки переносится преимущественно основными носителями. В нём нет характерного для p-n-перехода накопления неосновных носителей, которые нужно удалить после смены полярности. Поэтому классический заряд обратного восстановления Qrr у Шоттки отсутствует или в документации не нормируется как у p-n-диода.

Это не превращает компонент в идеальный ключ. Между областями сохраняется барьерная ёмкость, которая перезаряжается при каждом изменении напряжения. Переходный обратный ток Шоттки может быть связан именно с ёмкостью и паразитными элементами схемы.

Высота барьера и конструкция кристалла влияют на VF, обратную утечку и допустимое напряжение. Улучшение одного свойства может сопровождаться ухудшением другого. Поэтому название технологии задаёт направление сравнения, но не гарантирует одинаковых характеристик для всех серий.

Быстрый p-n-диод сохраняет инжекцию неосновных носителей при прямом токе. После переключения эти носители должны рекомбинировать или покинуть переход, поэтому некоторое время течёт обратный ток восстановления.

Производители уменьшают время жизни носителей и оптимизируют структуру кристалла. Это сокращает trr и Qrr, но может повлиять на прямое падение, утечку и форму восстановления. Быстрый диод не является обычным выпрямителем, к которому добавили только меньшее число trr.

Упрощённая последовательность переключения:

Время trr измеряют между точками, определёнными методикой испытания. Результат зависит от прямого тока перед переключением, скорости di/dt, обратного напряжения и температуры. Поэтому одинаковое trr при разных условиях не означает одинаковую динамику.

Для силового ключа важны также пиковый обратный ток, заряд Qrr и мягкость спада. Жёсткое восстановление способно возбуждать паразитный контур и увеличивать выбросы напряжения.

Меньшее прямое падение считается главным преимуществом диода Шоттки, особенно в низковольтных выходных выпрямителях. Однако VF не является постоянным и сравнивается только при одинаковых токе, температуре и форме нагрузки.

В мостовой схеме одновременно проводят два диода, поэтому разница VF удваивается. В однотактном выходном выпрямителе учитывают один переход, но ток может быть импульсным и значительно превышать средний ток нагрузки.

Потери проводимости предварительно оценивают произведением VF и среднего тока открытого состояния. Для точной оценки используют график Forward Voltage и реальную форму тока. Сравнение по значению с первой страницы даташита без условий измерения может дать неверный результат.

Обратный ток IR у диода Шоттки обычно выше, чем у сопоставимого кремниевого p-n-диода, и заметно растёт с температурой. В закрытом состоянии он создаёт мощность потерь, которая особенно важна при высоком обратном напряжении или длительной паузе между импульсами.

IR берут при максимальных рабочих напряжении и температуре, а не при комнатных условиях. Типовой график помогает оценить зависимость, но для худшего случая используют гарантированное максимальное значение, если оно указано.

Рост утечки нагревает переход, а нагрев дополнительно увеличивает утечку. При недостаточном теплоотводе эта обратная связь способна ухудшить тепловой режим. Риск оценивают вместе с Rθ, площадью меди и температурой внутри устройства.

У быстрого p-n-диода утечка также зависит от технологии и температуры, поэтому нельзя считать её пренебрежимо малой без проверки. В высокоомных сигнальных цепях даже небольшой IR может смещать рабочую точку.

Заряд обратного восстановления Qrr равен площади под участком обратного тока во время закрывания p-n-диода. Он показывает, какой заряд должен пройти через диод и силовой ключ за один переходный процесс.

Время trr показывает длительность процесса по выбранным контрольным уровням, но два диода с близким trr могут иметь разные пиковые токи и Qrr. Для оценки потерь заряд часто информативнее одного времени.

Форма восстановления бывает более жёсткой или мягкой. Резкий обрыв обратного тока создаёт большое di/dt и способен возбуждать паразитную индуктивность. Более плавный спад уменьшает звон и электромагнитные помехи, хотя длительность процесса может быть больше.

Приближённые потери связывают с Qrr, обратным напряжением и частотой, но часть энергии рассеивается в диоде, а часть – в переключающем ключе и сопротивлениях контура. Точное распределение зависит от схемы.

У Шоттки обычного Qrr нет, однако измеренный обратный импульс может включать заряд барьерной ёмкости. При сравнении осциллограмм нужно отделять восстановление носителей от ёмкостного тока.

Ёмкость перехода существует у диода Шоттки и p-n-диода. Её значение зависит от обратного напряжения, площади кристалла и конструкции перехода. На графике C–V обычно видно уменьшение ёмкости с ростом обратного смещения.

При изменении напряжения через ёмкость течёт ток:

Для нелинейной Cj точнее использовать зарядную характеристику, если производитель её приводит. Энергия одной перезарядки приближённо связана с Cj и квадратом напряжения:

На высокой частоте ёмкостный ток увеличивает нагрузку на ключ и может формировать короткий обратный пик даже у Шоттки. Большая площадь кристалла снижает сопротивление и VF, но часто увеличивает ёмкость. Это создаёт компромисс между потерями проводимости и переключения.

В радиочастотной или чувствительной сигнальной цепи Cj способна шунтировать закрытый диод и искажать сигнал. В силовом преобразователе оценивают среднюю мощность перезаряда и амплитуду тока с учётом реального dV/dt.

Диоды Шоттки на карбиде кремния, или SiC, рассчитаны на работу при высоких обратных напряжениях и температурах. Они сохраняют перенос основными носителями, поэтому не имеют обычного заряда восстановления кремниевого p-n-диода.

SiC-диоды применяют в корректорах коэффициента мощности, инверторах, зарядных устройствах и других высоковольтных преобразователях. Снижение Qrr уменьшает коммутационную нагрузку на ключ, особенно при высокой частоте и большом dV/dt.

Их прямое падение не обязательно ниже, чем у низковольтного кремниевого Шоттки. Преимущество проявляется в сочетании высокого обратного напряжения, температурной стойкости и динамических характеристик. Для низковольтной схемы такой компонент может не дать выигрыша.

При выборе проверяют VF при рабочем токе, ток утечки при температуре, ёмкостный заряд, корпус и тепловое сопротивление. У быстрых фронтов также учитывают паразитную индуктивность монтажа и требования к электромагнитной совместимости.

Обозначение SiC не гарантирует одинаковой динамики всех серий. Графики и условия измерения конкретного производителя остаются основой расчёта.

Выбор начинают с топологии, максимального обратного напряжения и формы тока. Затем сравнивают статические и динамические потери в одной рабочей точке.

Для каждого кандидата рассчитывают потери проводимости, восстановления и ёмкости, затем оценивают температуру перехода. Сравнение только при номинальном режиме может скрыть перегрев на максимальной температуре или снижение эффективности при малой нагрузке.

Осциллограмма рабочего прототипа нужна для проверки выбросов, dV/dt и формы обратного тока. Датчик тока и щупы не должны заметно увеличивать паразитную индуктивность измерительного контура.

Готовое сопоставление основных свойств доступно на странице сравнения диода Шоттки и выпрямительного диода.