Dynamic behavior of selected SiC an

Dynamic behavior of selected SiC and QspeedTM diodes and their comparisons in various practical applications



P.Spanik IEEE Member, M. Frivaldsky IEEE Member, Roman Radvan, Marek Valco

University of Zilina, Faculty of electrical engineering, Department of mechatronics and electronics Univerzitna 1, SK010 26 Zilina, Slovakia

[e-mail]


Abstract - This paper deals with investigation of dynamic behavior of perspective power diode structures. Main scope is research of impact of diode's dynamics on the efficiency of switched mode power supply suited for dedicated application. In principle, the investigation of dynamic behavior was made in order to find out dependence of diode losses on the switching frequency and supply voltage. Quantification of received data was based on experimental measurements and consequently was converted into continuous form for graphic interpretation. We have focused on diode structures which today present most innovative solution for high frequency applications. It deals about comparisons of standard Si schottky diode MBR20200CT, SiC diodes SDT10S30, SDT12S60, C4D15120 and highest performance Si diodes - QSpeed products QH12TZ600, LQA12P300. As a merit of performance, each diode has been utilized in proposed converters - LLC converter and PFC converter, whereby efficiency of each converter has been investigated and plotted in the dependency of utilized rectifier.

Keywords-diode, reverse recovery, efficiency, switching losses


I. INTRODUCTION

In most of practical applications of power electronics losses caused by diode’s turn – off process forms significant part of total losses of power semiconductor system. The goal of every power semiconductor system design is approach to the highest efficiency with respect to maximum output power. However, different practical applications are requiring utilization of different circuit topology, in which projection and selection of proper components are performing the most important challenge







Fig. 1. Interleaved PFC circuit and LLC circuit

at gaining of optimal power. Almost all Switched – Mode Power Supplies (SMPS) are nowadays being developed in cooperation with a power factor correction (PFC) input


stage in order to meet the international regulatory standards for harmonic content[1].

Together with the development in the field of switched model power supplies, the practical use of resonant topologies is being more and more significant. Current tendencies are characterized by continuous increase of efficiency (reducing switching losses) and increase of power density (decreasing volume). The LLC resonant converter is nowadays a very popular solution for most of consumer and/or industrial applications.

Altogether with previous description the performance in dependency on cost is almost very important and mostly limiting factor for innovative practical designs. Due to that, we have provided research of dynamic properties of most perspective diode structures which are nowadays available for practical use in PFC and LLC converter circuits [2] [3].

In the first part of this paper, the description of SiC and Qspeed structures is made. After that, the investigation of dynamic properties of selected diode in dependency on various circuit parameter in hard switching mode is being shown. Finally utilization of selected diodes in proposed PFC and LLC converter is made, whereby influence of diode on the efficiency of converter was discovered [4] [5].

II. PROPERTIES OF DIODES

Like any other semiconductors diode is not an ideal device. If the diode selection is incorrect for given application, then the diode parameters can increase the turn

– on losses of power transistor (MOSFET, IGBT) and even for the diode itself. Singularity of application areas leads to the development of various diode technologies of which

every have its specific abilities:

- Low VF with high Qrr and trr

- Moderate VF and moderate trr

- High VF and low trr

The mentioned development brings some types of special diodes; those behaviors could eliminate unacceptable effects during active or passive mode of device.

SBD - Schottky Barier Diode – this type of diode utilizes metal – semiconductor rectifying junction. The differences from PN junction are better dynamics – caused


by the existence of s.c. hot electrons, those life time is from 10-11 to 10-13, that is 106 times less than with classic PN diodes. This warrants almost zero – recovery time [9]. According to present development in the field of power electronics, standard Schottky barrier rectifiers based on silicon substrate had reached their threshold limits (reverse recovery time, reverse voltage, reverse recovery charge). Present development in the field of material engineering expects elimination of mentioned limitations by implementation of new progressive materials (silicon carbide - SiC diodes), or by combination of both Schottky and PN junction in the same device. In the next subchapter, both structures will be shortly introduced.

A. SiC diodes

It is possible to avoid switching losses given with Qrr by using 600V SiC Schottky diode witch haven’t reverse recovery effect but their losses are related to capacitance reverse current peak in simplicity. A Solution combine good properties of PN and Schottky diode was developed recently and is called Merged-Structure. Both devices are connected together with low impedance p regions to the anode of the device (Fig. x1). This concept used advantages of the wide bandgap potential of SiC, witch under normal conditions have relatively high junction voltage (3-4V). This fact prevents conduction of PN structure. In overload conditions the forward drop of Schottky diode will rise to value of junction voltage so PN structure provides hole-carrier injection for conductivity modulation in the drift region. Task of p bodies is concentrating the maximum electric field away from Schottky barrier surface. This allows working with higher blocking voltage and another advantage is higher ruggedness of device. Due to the material characteristics of the SiC and other facts is reverse recovery charge is essentially unmeasurable. In basics, connecting these two diodes together should result in the lower forward dissipation of the Schottky at current levels up to a few times the rated forward current of the diode, with the large overload capability and higher peak current of the PN structure.

B. QspeedTM diodes

Qspeed diode is a patented device design and processes to create the highest performance Si based rectifier. They are developed in order to give best performance to cost ratio. The basic structure of the diode is called "merged PN Schottky (MPS)". From that it is clear that it combines both schottky and PN junction in the same device. Such structure combines best of each structure, low VF / High speed Schottky and low leakage / High blocking P-N junction. Finally due to deep trench technology, through which implementation of P-wells is made, provide conductivity modulation efficiently in bulk material what results in less hole injection = low Qrr.

III. PARAMETRICAL EXPERIMENTAL INVESTIGATION

OF DYNAMIC PROPERTIES OF SELECTED DIODES

The experimental measurements required construction of testing circuit, which enabled to change the power circuit parameters just to reach the conditions in practical application (supply voltage, switching frequency, and load current). This led us to construct a testing device, whose construction is realized as circuit with variable topology whereby primary requirement was to gain exact emulation of different soft – switching techniques and consecutive interpretation of generated switching loss [5] [6].

For the purposes of experimental verification we have focused namely on these devices:

Note: parameters are valid for 25 ºC.

TABLE I

TYPES OF INVESTIGATED DIODES

IF(AV) VRRM I RM(typ) V F(max) TRR(max)
[A] [V] [mA] [V] [ns]
MBR20200CT 20 200 1 1 n.a
LQA12T300C 6 300 1,6 1,9 11,5
QH12TZ600 12 600 1,8 3,1 11,6
SDT10S30 10 300 n.a. 1,7 n.a.
SDT12S60 12 600 n.a. 1,7 n.a

It can be seen that we have focused on the structures, whose current and voltage ratings are according to the possibilities as closest as possible. Investigation of dynamic behavior was done with the use of well-known circuit, which is shown on fig. 3. This circuit is generally known as testing configuration for investigation of dynamics of the power diodes as well as of the power transistors. Due to fact, that our aim is comparison of today's top class devices, we have utilized IPW60R070C6 as power transistor.












Fig. 2. The structures of SiC diodes, top (convetntional), bottom Fig. 3. Waveform of diode's current during turn-off process
(merged)


Several measurements were realized under change of IV. EVALUATION OF THE DYNAMIC BEHAVIOUR
parameters, by which the diode turn - off losses are
As was mentioned, the experimental investigation was
dependent on (switching frequency, supply voltage, load
current). done during change of parameters which are influencing
In order to evaluate measured results we have used diode´s dynamic properties in the highest amount.These
discrete forms of equation (3). The measured data were were:
processed in the table editor and consequently evaluated. - diode current IF(AV) - 5 A
The turn-off losses are generated during reverse recovery - diode reverse voltage UR - from 50 V up to 300 V
time of the diode, whereby this interval is : - switching frequency fSW - from 50 kHz up to 300 kHz
tRR = tA + tB  The evaluation of switching losses is done through 3-D
graphical interpretation.

C. MBR20200CT





2.5-3


2-2.5


1.5-2


Fig. 4. Waveform of diode's current during turn-off process 1-1.5


0.5-1


0-0.5

, whereby for the power loss calculation the next equation is valid:
Pon  1 Won 

T

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

ลักษณะการทำงานแบบไดนามิกของไดโอดได้ SiC และ QspeedTM ที่เลือกและการเปรียบเทียบในการปฏิบัติงานต่าง ๆRadvan P.Spanik สมาชิก IEEE, Frivaldsky เมตร IEEE สมาชิก โรมัน Marek Valcoมหาวิทยาลัย Zilina คณะวิศวกรรมศาสตร์ไฟฟ้า ภาควิชาอิเล็กทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ Univerzitna 1, SK010 26 Zilina สโลวาเกีย[e-mail] นามธรรม - กระดาษนี้เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบลักษณะการทำงานแบบไดนามิกของโครงสร้างไดโอดไฟมุมมอง ขอบเขตหลักคือ วิจัยผลกระทบของ dynamics ของไดโอดกับประสิทธิภาพของไฟเปลี่ยนโหมดที่เหมาะสมสำหรับโปรแกรมประยุกต์เฉพาะ หลัก การตรวจสอบลักษณะการทำงานแบบไดนามิกทำการหาที่พึ่งพาของไดโอดขาดทุนจากการเปลี่ยนความถี่ และแรงดัน นับของข้อมูลที่ได้รับขึ้นอยู่กับวัดทดลอง และจึง ถูกแปลงเป็นฟอร์มต่อเนื่องสำหรับการตีความรูปภาพ เราได้เน้นโครงสร้างไดโอดซึ่งวันนี้มีวิวัฒนาการมากที่สุดสำหรับการใช้งานความถี่สูง เรื่องข้อเสนอเกี่ยวกับการเปรียบเทียบมาตรฐานซี schottky ไดโอด MBR20200CT, SiC ไดโอดได้ SDT10S30, SDT12S60, C4D15120 และสูงสุดประสิทธิภาพในไดโอด ได้ - ผลิตภัณฑ์ QSpeed QH12TZ600, LQA12P300 เป็นบุญของประสิทธิภาพ ไดโอดแต่ละมีการใช้ในแปลงเสนอ - LLC แปลงและแปลง PFC โดยประสิทธิภาพของแต่ละแปลงได้ถูกสอบสวน และพล็อตในการขึ้นต่อกันของวงจรเรียงกระแสที่ใช้งานคำสำคัญไดโอด กู้คืนกลับ ประสิทธิภาพ การสลับขาดทุนI. บทนำ เป็นการประยุกต์ใช้งานจริงขาดทุนอิเล็กทรอนิกส์พลังงานที่เกิด ตามของไดโอดเปิด– ปิดกระบวนการเป็นส่วนหนึ่งสำคัญของขาดทุนรวมของระบบสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า เป้าหมายของทุกพลังงานสารกึ่งตัวนำการออกแบบระบบเป็นวิธีการเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดกับพลังงานสูงสุด อย่างไรก็ตาม ประยุกต์ใช้งานจริงแตกต่างกันจะต้องใช้ประโยชน์ของวงจรอื่นโทโพโลยี ที่ฉายและการเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสมมีประสิทธิภาพความท้าทายที่สำคัญที่สุดFig. 1 วงจร PFC สอดและวงจร LLCที่ได้รับพลังงานที่เหมาะสม เกือบทั้งหมดเปลี่ยน – โหมดเพาเวอร์ซัพพลาย (SMPS) ปัจจุบันได้รับการพัฒนาร่วมกับแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) ป้อนข้อมูล ขั้นตอนการตามมาตรฐานข้อบังคับสากลสำหรับเนื้อหามีค่า [1]กับการพัฒนาในฟิลด์รูปแบบเปลี่ยนเพาเวอร์ซัพพลาย โทคงใช้ปฏิบัติกำลังสำคัญมาก ปัจจุบันแนวโน้มมีลักษณะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องมีประสิทธิภาพ (ลดขาดทุนสลับ) และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน (ลดเสียง) แปลงคง LLC เป็นโซลูชั่นที่นิยมมากสำหรับทั้งผู้บริโภคและ/หรือประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมในปัจจุบันทั้งหมด ด้วยอธิบายก่อนหน้านี้ ประสิทธิภาพในการพึ่งพาทุนเป็นปัจจัยเกือบสำคัญมาก และส่วนใหญ่จำกัดการปฏิบัติแบบใหม่ ๆ จากนั้น เราได้จัดเตรียมวิจัยคุณสมบัติแบบไดนามิกของโครงสร้างไดโอดมุมมองส่วนใหญ่ซึ่งในปัจจุบันสำหรับใช้ปฏิบัติใน PFC และ LLC แปลงวงจร [2] [3]ในส่วนแรกของกระดาษนี้ เป็นทำคำอธิบายโครงสร้างของ SiC และ Qspeed หลังจากนั้น การตรวจสอบแบบไดนามิกคุณสมบัติของไดโอดเลือกในอ้างอิงกับพารามิเตอร์วงจรต่าง ๆ ในโหมดยากสลับเป็นการแสดง สุดท้าย ของไดโอดได้เลือกใน PFC และ LLC แปลงเสนอทำ โดยอิทธิพลของไดโอดในประสิทธิภาพของ converter ไม่พบ [4] [5]II. คุณสมบัติของไดโอดได้ อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เช่น ไดโอดไม่ได้อุปกรณ์เหมาะ ถ้าการเลือกไดโอดไม่ถูกต้องสำหรับโปรแกรมประยุกต์ที่กำหนด แล้วพารามิเตอร์ไดโอดสามารถเพิ่มเปิด-ในการสูญเสียพลังงานทรานซิสเตอร์ (มอสเฟต IGBT) และแม้แต่ไดโอดตัวเอง ภาวะเอกฐานของพื้นที่แอพพลิเคชันที่นำไปสู่การพัฒนาของเทคโนโลยีต่าง ๆ ของไดโอดซึ่งทุกมีความสามารถเฉพาะตัว:-VF ต่ำกับสูง Qrr และ trr -บรรเทา VF และ trr ปานกลาง -สูง VF และ trr ต่ำ การพัฒนาดังกล่าวนำบางชนิดของไดโอดได้พิเศษ พฤติกรรมเหล่านั้นสามารถตัดผลที่ไม่สามารถยอมรับระหว่างโหมดแอคที ฟหรืออุปกรณ์SBD -ไดโอด Schottky Barier – ไดโอดชนิดนี้ใช้โลหะ – สารกึ่งตัวนำเชื่อมต่อ rectifying ความแตกต่างจาก PN junction เป็น dynamics ดี – ทำให้เกิด โดยมีอิเล็กตรอนร้อนเอส เวลาชีวิตเหล่านั้นได้จาก 10-11 ถึง 10-13 ที่ 106 ครั้ง less than กับคลาสสิก PN ไดโอดได้ นี้วอร์แรนต์เกือบศูนย์ – เวลา [9] ตามพัฒนาอยู่ในฟิลด์ของอิเล็กทรอนิกส์กำลัง rectifiers อุปสรรค Schottky มาตรฐานตามพื้นผิวซิลิกอนที่ได้ถึงขีดจำกัดขีดจำกัด (ย้อนเวลา แรงดันย้อนกลับ ค่าธรรมเนียมการกู้คืนกลับ) พัฒนาอยู่ในฟิลด์ของวัสดุวิศวกรรมคาดว่าตัดข้อจำกัดดังกล่าว โดยนำวัสดุก้าวหน้าใหม่ (ซิลิคอนไฮไดรด์ - ซิลิก้อน diodes), หรือชุดของ Schottky และ PN junction ในอุปกรณ์เดียวกัน ใน subchapter ถัดไป โครงสร้างทั้งสองจะได้เร็ว ๆ แนะนำอ. SiC ไดโอดได้มันเป็นไปได้เพื่อหลีกเลี่ยงการสลับ ให้กับ Qrr โดยแม่มด 600V Schottky ซิลิก้อนไดโอดขาดทุนไม่ได้ผลกู้คืนกลับ แต่การขาดทุนเกี่ยวข้องกับความย้อนกลับสูงสุดปัจจุบันในความเรียบง่าย โซลูชันรวมคุณสมบัติที่ดีของ PN และ Schottky ไดโอดได้รับการพัฒนาล่าสุด และถูกเรียกว่าโครงสร้าง Merged อุปกรณ์ทั้งสองเชื่อมต่อกับความต้านทานต่ำ p ภูมิภาคกับขั้วบวกของอุปกรณ์ (ฟิก x 1) ประโยชน์นี้ใช้แนวคิดของศักยภาพ bandgap กว้างของ SiC แม่มดภายใต้เงื่อนไขปกติมีแรงดันไฟฟ้าเชื่อมต่อค่อนข้างสูง (3-4V) ความจริงป้องกันการนำโครงสร้างของ PN สภาพเกินพิกัด หล่นไปข้างหน้าของไดโอด Schottky จะเพิ่มขึ้นเป็นค่าของแรงดันไฟฟ้าเชื่อมต่อดังนั้นโครงสร้างของ PN ให้ฉีดหลุมผู้นำเอ็มในภูมิภาคดริฟท์ งานของร่างกาย p มี concentrating สนามไฟฟ้าสูงสุดจากพื้นผิวกำแพง Schottky นี้ช่วยให้ทำงาน ด้วยแรงดันสูงการบล็อค และข้อดีอีกคือ สูง ruggedness ของอุปกรณ์ วัสดุ SiC และข้อเท็จจริงอื่น ๆ เป็นกลับกู้คืนค่าเป็นหลัก unmeasurable ในทั่วไป ต่อไดโอดได้สองเหล่านี้กันควรส่งผลกระจายไปข้างหน้าลดลง Schottky ระดับปัจจุบันของกี่ครั้งถึงจะไปข้างหน้าปัจจุบันของไดโอด มีความสามารถในการโอเวอร์โหลดขนาดใหญ่และสูงสูงสุดปัจจุบันของพีเอ็นโครงสร้าง B. QspeedTM ไดโอดได้Qspeed ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่จดสิทธิบัตรการออกแบบและกระบวนการการสร้างวงจรเรียงกระแสซีตามประสิทธิภาพสูงสุด พวกเขามีพัฒนาเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดกับอัตราต้นทุน โครงสร้างพื้นฐานของไดโอดคือ "ผสาน PN Schottky (MPS)" จากที่ เป็นที่ชัดเจนว่า จะรวม schottky และ PN junction ในอุปกรณ์เดียวกัน โครงสร้างดังกล่าวรวมดีที่สุดของแต่ละโครงสร้าง VF ต่ำ/ สูงเร็ว Schottky และรั่วไหลต่ำ / สูงบล็อกการเชื่อมต่อ P-N ในที่สุด เนื่องจากร่องลึกลึกเทคโนโลยี ซึ่งนำ P-บ่อทำ ให้เอ็มนำประสิทธิภาพในวัสดุจำนวนมากผลลัพธ์อะไรในหลุมน้อย = Qrr ต่ำตรวจสอบทดลอง III. PARAMETRICAL แบบไดนามิกคุณสมบัติของไดโอดได้เลือกการทดลองประเมินต้องสร้างวงจรทดสอบ ที่เปิดใช้งานการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์วงจรไฟฟ้าเพียงถึงเงื่อนไขในภาค (แรงดันไฟฟ้า การเปลี่ยนความถี่ และกระแสโหลด) นี้นำเราสามารถสร้างอุปกรณ์ทดสอบ งานก่อสร้างที่ถูกรับรู้เป็นวงจรพร้อมโครงสร้างตัวแปรโดยความต้องการหลักคือการจำลองแน่นอนของน้ำอัดลมต่าง ๆ – สลับเทคนิคและการตีความต่อเนื่องขาดทุนสลับสร้าง [5] [6]สำหรับวัตถุประสงค์ของการตรวจสอบทดลอง รู้ของเราคืออุปกรณ์เหล่านี้:หมายเหตุ: พารามิเตอร์ไม่ถูกต้องสำหรับ 25 ºCโต๊ะผมชนิดของไดโอดได้สอบสวน IF(AV) VRRM ฉัน TRR(max) F(max) RM(typ) V [A] [V] [mA] [V] [ns]MBR20200CT 20 200 1 1 n.aLQA12T300C 6 300 1,6 1,9 11,5QH12TZ600 12 600 1,8 3,1 11,6SDT10S30 10 300 n.a. 1,7 n.a.SDT12S60 n.a n.a. 1,7 12 600จะเห็นได้ว่า เราได้มุ่งเน้นเกี่ยวกับโครงสร้าง จัดอันดับที่มีแรงดันและกระแสจะตามไปที่ใกล้ที่สุด การตรวจสอบลักษณะการทำงานแบบไดนามิกถูกทำ ด้วยการใช้วงจรรู้จัก ที่แสดงใน fig. 3 วงจรนี้เป็นที่รู้จักกันโดยทั่วไปเป็นการทดสอบการกำหนดค่าสำหรับการตรวจสอบของ dynamics เพาเวอร์ไดโอดได้เช่น ณ transistors พลังงาน เนื่องจากความจริง ว่าจุดมุ่งหมายของเราเปรียบเทียบอุปกรณ์ที่ชั้นบนสุดของวันนี้ เราได้ใช้ IPW60R070C6 เป็นเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ Fig. 2 โครงสร้างของไดโอดได้ SiC (convetntional), บนล่าง Fig. 3 รูปคลื่นของไดโอดในปัจจุบันระหว่างหันออก (รวม) หลายวัดได้จริงภายใต้การเปลี่ยน IV การประเมินพฤติกรรมแบบไดนามิก โดยที่ไดโอดเปิด- ปิดขาดทุนเป็น ตามที่ได้กล่าวถึง ถูกสอบสวนทดลอง ขึ้นอยู่กับ (สลับความถี่ แรงดัน โหลด ปัจจุบัน) ดำเนินการในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ซึ่งจะมีอิทธิพลต่อ การประเมินผลวัด เราได้ใช้คุณสมบัติแบบไดนามิก diode´s ยอดเงินสูงสุด เหล่านี้ รูปแบบที่ไม่ต่อเนื่องของสมการ (3) ข้อมูลที่วัดได้: แก้ไขตารางการประมวลผล และประเมินผล การ -ไดโอด IF(AV) ปัจจุบัน - 5 A ขาดทุนหันออกถูกสร้างขึ้นในระหว่างการกู้คืนกลับ -ไดโอดกลับแรงดันยู - จาก 50 V ถึง 300 V เวลาของไดโอด โดยช่วงนี้จะ: -สลับความถี่ fSW - จาก 50 kHz ถึง 300 kHz tRR = tA +  tB ทำการประเมินผลขาดทุนสลับผ่าน 3-D การตีความภาพ C. MBR20200CT 2.5-3 2-2.5 1.5-2 Fig. 4 รูปคลื่นของไดโอดในปัจจุบันหันออกระหว่าง 1-1.5 0.5-1 0-0.5 โดยมีผลบังคับใช้สำหรับการคำนวณการสูญเสียพลังงาน สมการถัดไป:ผ่อนคลายโฮ 1 ชนะ T

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

พฤติกรรมแบบไดนามิกที่เลือก P.Spanik IEEE มหาวิทยาลัย [e-mail] บทคัดย่อ ขอบเขตหลักคือการวิจัยผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงไดโอดในประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนโหมดเหมาะสำหรับการใช้งานเฉพาะ ในหลักการการตรวจสอบพฤติกรรมแบบไดนามิกที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อหาการพึ่งพาอาศัยกันของการสูญเสียไดโอดในการเปลี่ยนความถี่และแรงดัน ปริมาณของข้อมูลที่ได้รับก็ขึ้นอยู่กับการทดลองวัดจึงถูกดัดแปลงเป็นรูปแบบต่อเนื่องสำหรับการตีความกราฟิก เราได้มุ่งเน้นไปที่โครงสร้างไดโอดซึ่งวันนี้นำเสนอโซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ล่าสุดสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูง มันเกี่ยวข้องเกี่ยวกับการเปรียบเทียบของมาตรฐานศรี ในฐานะที่เป็นบุญของประสิทธิภาพไดโอดแต่ละคนได้ถูกนำมาใช้ในแปลงที่นำเสนอ นำมาใช้คำหลักไดโอดกู้คืนกลับมีประสิทธิภาพการเปลี่ยนการสูญเสียผม. Dynamic behavior of selected SiC and QspeedTM diodes and their comparisons in various practical applications



P.Spanik IEEE Member, M. Frivaldsky IEEE Member, Roman Radvan, Marek Valco

University of Zilina, Faculty of electrical engineering, Department of mechatronics and electronics Univerzitna 1, SK010 26 Zilina, Slovakia

[e-mail]


Abstract - This paper deals with investigation of dynamic behavior of perspective power diode structures. Main scope is research of impact of diode's dynamics on the efficiency of switched mode power supply suited for dedicated application. In principle, the investigation of dynamic behavior was made in order to find out dependence of diode losses on the switching frequency and supply voltage. Quantification of received data was based on experimental measurements and consequently was converted into continuous form for graphic interpretation. We have focused on diode structures which today present most innovative solution for high frequency applications. It deals about comparisons of standard Si schottky diode MBR20200CT, SiC diodes SDT10S30, SDT12S60, C4D15120 and highest performance Si diodes - QSpeed products QH12TZ600, LQA12P300. As a merit of performance, each diode has been utilized in proposed converters - LLC converter and PFC converter, whereby efficiency of each converter has been investigated and plotted in the dependency of utilized rectifier.

Keywords-diode, reverse recovery, efficiency, switching losses


I. INTRODUCTION

In most of practical applications of power electronics losses caused by diode’s turn – off process forms significant part of total losses of power semiconductor system. The goal of every power semiconductor system design is approach to the highest efficiency with respect to maximum output power. However, different practical applications are requiring utilization of different circuit topology, in which projection and selection of proper components are performing the most important challenge







Fig. 1. Interleaved PFC circuit and LLC circuit

at gaining of optimal power. Almost all Switched – Mode Power Supplies (SMPS) are nowadays being developed in cooperation with a power factor correction (PFC) input


stage in order to meet the international regulatory standards for harmonic content[1].

Together with the development in the field of switched model power supplies, the practical use of resonant topologies is being more and more significant. Current tendencies are characterized by continuous increase of efficiency (reducing switching losses) and increase of power density (decreasing volume). The LLC resonant converter is nowadays a very popular solution for most of consumer and/or industrial applications.

Altogether with previous description the performance in dependency on cost is almost very important and mostly limiting factor for innovative practical designs. Due to that, we have provided research of dynamic properties of most perspective diode structures which are nowadays available for practical use in PFC and LLC converter circuits [2] [3].

In the first part of this paper, the description of SiC and Qspeed structures is made. After that, the investigation of dynamic properties of selected diode in dependency on various circuit parameter in hard switching mode is being shown. Finally utilization of selected diodes in proposed PFC and LLC converter is made, whereby influence of diode on the efficiency of converter was discovered [4] [5].

II. PROPERTIES OF DIODES

Like any other semiconductors diode is not an ideal device. If the diode selection is incorrect for given application, then the diode parameters can increase the turn

– on losses of power transistor (MOSFET, IGBT) and even for the diode itself. Singularity of application areas leads to the development of various diode technologies of which

every have its specific abilities:

- Low VF with high Qrr and trr

- Moderate VF and moderate trr

- High VF and low trr

The mentioned development brings some types of special diodes; those behaviors could eliminate unacceptable effects during active or passive mode of device.

SBD - Schottky Barier Diode – this type of diode utilizes metal – semiconductor rectifying junction. The differences from PN junction are better dynamics – caused


by the existence of s.c. hot electrons, those life time is from 10-11 to 10-13, that is 106 times less than with classic PN diodes. This warrants almost zero – recovery time [9]. According to present development in the field of power electronics, standard Schottky barrier rectifiers based on silicon substrate had reached their threshold limits (reverse recovery time, reverse voltage, reverse recovery charge). Present development in the field of material engineering expects elimination of mentioned limitations by implementation of new progressive materials (silicon carbide - SiC diodes), or by combination of both Schottky and PN junction in the same device. In the next subchapter, both structures will be shortly introduced.

A. SiC diodes

It is possible to avoid switching losses given with Qrr by using 600V SiC Schottky diode witch haven’t reverse recovery effect but their losses are related to capacitance reverse current peak in simplicity. A Solution combine good properties of PN and Schottky diode was developed recently and is called Merged-Structure. Both devices are connected together with low impedance p regions to the anode of the device (Fig. x1). This concept used advantages of the wide bandgap potential of SiC, witch under normal conditions have relatively high junction voltage (3-4V). This fact prevents conduction of PN structure. In overload conditions the forward drop of Schottky diode will rise to value of junction voltage so PN structure provides hole-carrier injection for conductivity modulation in the drift region. Task of p bodies is concentrating the maximum electric field away from Schottky barrier surface. This allows working with higher blocking voltage and another advantage is higher ruggedness of device. Due to the material characteristics of the SiC and other facts is reverse recovery charge is essentially unmeasurable. In basics, connecting these two diodes together should result in the lower forward dissipation of the Schottky at current levels up to a few times the rated forward current of the diode, with the large overload capability and higher peak current of the PN structure.

B. QspeedTM diodes

Qspeed diode is a patented device design and processes to create the highest performance Si based rectifier. They are developed in order to give best performance to cost ratio. The basic structure of the diode is called "merged PN Schottky (MPS)". From that it is clear that it combines both schottky and PN junction in the same device. Such structure combines best of each structure, low VF / High speed Schottky and low leakage / High blocking P-N junction. Finally due to deep trench technology, through which implementation of P-wells is made, provide conductivity modulation efficiently in bulk material what results in less hole injection = low Qrr.

III. PARAMETRICAL EXPERIMENTAL INVESTIGATION

OF DYNAMIC PROPERTIES OF SELECTED DIODES

The experimental measurements required construction of testing circuit, which enabled to change the power circuit parameters just to reach the conditions in practical application (supply voltage, switching frequency, and load current). This led us to construct a testing device, whose construction is realized as circuit with variable topology whereby primary requirement was to gain exact emulation of different soft – switching techniques and consecutive interpretation of generated switching loss [5] [6].

For the purposes of experimental verification we have focused namely on these devices:

Note: parameters are valid for 25 ºC.

TABLE I

TYPES OF INVESTIGATED DIODES

IF(AV) VRRM I RM(typ) V F(max) TRR(max)
[A] [V] [mA] [V] [ns]
MBR20200CT 20 200 1 1 n.a
LQA12T300C 6 300 1,6 1,9 11,5
QH12TZ600 12 600 1,8 3,1 11,6
SDT10S30 10 300 n.a. 1,7 n.a.
SDT12S60 12 600 n.a. 1,7 n.a

It can be seen that we have focused on the structures, whose current and voltage ratings are according to the possibilities as closest as possible. Investigation of dynamic behavior was done with the use of well-known circuit, which is shown on fig. 3. This circuit is generally known as testing configuration for investigation of dynamics of the power diodes as well as of the power transistors. Due to fact, that our aim is comparison of today's top class devices, we have utilized IPW60R070C6 as power transistor.












Fig. 2. The structures of SiC diodes, top (convetntional), bottom Fig. 3. Waveform of diode's current during turn-off process
(merged)


Several measurements were realized under change of IV. EVALUATION OF THE DYNAMIC BEHAVIOUR
parameters, by which the diode turn - off losses are
As was mentioned, the experimental investigation was
dependent on (switching frequency, supply voltage, load
current). done during change of parameters which are influencing
In order to evaluate measured results we have used diode´s dynamic properties in the highest amount.These
discrete forms of equation (3). The measured data were were:
processed in the table editor and consequently evaluated. - diode current IF(AV) - 5 A
The turn-off losses are generated during reverse recovery - diode reverse voltage UR - from 50 V up to 300 V
time of the diode, whereby this interval is : - switching frequency fSW - from 50 kHz up to 300 kHz
tRR = tA + tB  The evaluation of switching losses is done through 3-D
graphical interpretation.

C. MBR20200CT





2.5-3


2-2.5


1.5-2


Fig. 4. Waveform of diode's current during turn-off process 1-1.5


0.5-1


0-0.5

, whereby for the power loss calculation the next equation is valid:
Pon  1 Won 

T

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

พฤติกรรมพลวัตของซิลิกอนไดโอดและเลือก qspeedtm และการเปรียบเทียบต่างๆประโยชน์



p.spanik อีอีอีอีสมาชิก ม. frivaldsky สมาชิก , โรมัน radvan Marek , valco

มหาวิทยาลัยซีลินา คณะวิศวกรรมไฟฟ้า ภาควิชาเมคาทรอนิกส์และอิเล็กทรอนิกส์ univerzitna 1 , sk010 26 ซิลินา , สโลวาเกีย




[e-mail]บทคัดย่อกระดาษแผ่นนี้เกี่ยวข้องกับการศึกษาพฤติกรรมทางพลศาสตร์ของโครงสร้างไดโอดพลังมุมมอง ขอบเขตหลักวิจัยผลกระทบของพลวัตของไดโอดต่อประสิทธิภาพของเปลี่ยนโหมดแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสมสำหรับโปรแกรมเฉพาะ โดยหลักการแล้ว การสอบสวนพฤติกรรมแบบไดนามิกทำเพื่อที่จะหาของ ไดโอด ขาดทุนในการเปลี่ยนความถี่ และการจัดหาไฟฟ้าปริมาณของข้อมูลที่ได้รับจากการวัด การทดลองและจากนั้นก็แปลงเป็นรูปแบบกราฟิกการตีความ เราเน้นโครงสร้าง ซึ่งวันนี้เสนอนวัตกรรมมากที่สุดโซลูชั่นสำหรับการใช้งานความถี่สูงไดโอด มันเกี่ยวข้องกับการเปรียบเทียบมาตรฐาน SI ไดโอดชอทท์กี้ mbr20200ct SIC sdt10s30 sdt12s60 , ไดโอด , ,และประสิทธิภาพสูงสุด c4d15120 ศรีไดโอด - qspeed qh12tz600 ผลิตภัณฑ์ lqa12p300 . เป็นบุญของการแสดงแต่ละไดโอดได้ถูกใช้ในการนำเสนอแปลง - แปลง LLC และ PFC แปลง ซึ่งประสิทธิภาพของแต่ละแปลงที่ได้รับการตรวจสอบและวางแผนในการใช้กระแส

คำสำคัญไดโอดกลับ , กู้คืน , ประสิทธิภาพ , ขาดทุนสลับ




ผมแนะนำในส่วนของการใช้งานจริงของอิเล็กทรอนิกส์ความสูญเสียอันเนื่องมาจากไดโอดเปิด–ปิดกระบวนการรูปแบบสำคัญส่วนหนึ่งของการสูญเสียโดยรวมของระบบสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า เป้าหมายของทุกการออกแบบระบบสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าเป็นวิธีมีประสิทธิภาพสูงสุด ส่วนพลังงานสูงสุด อย่างไรก็ตาม การปฏิบัติงานต่าง ๆ จะต้องใช้แบบวงจรที่แตกต่างกันซึ่งในการฉายและการเลือกใช้ส่วนประกอบที่เหมาะสมจะแสดง







ท้าทายสำคัญที่สุด รูปที่ 1 อัดวงจร PFC และวงจร

ที่ดึงดูดสำหรับพลังงานที่เหมาะสม เกือบทั้งหมด เปลี่ยนโหมด - อุปกรณ์ไฟฟ้า ( SMPS ) ในปัจจุบันได้รับการพัฒนาในความร่วมมือกับปัจจัยอำนาจแก้ไข ( PFC ) ใส่


ขั้นตอนเพื่อตอบสนองระหว่างประเทศ กฎระเบียบมาตรฐานสำหรับเนื้อหาที่ประสานกัน [ 1 ] .

พร้อมกับการพัฒนาในด้านการเปลี่ยนอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบ , ใช้เป็นประโยชน์ของโครงสร้างเรโซแนนซ์เป็นมากขึ้นและที่สำคัญมากขึ้น ปัจจุบันแนวโน้มมีการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของประสิทธิภาพ ( ลดขาดทุนสลับ ) และเพิ่มความหนาแน่นพลังงาน ( ลดเสียง )โดย LLC เรโซแนนซ์เป็นปัจจุบันที่นิยมมากที่สุดของโซลูชั่นสำหรับผู้บริโภคและ / หรืออุตสาหกรรม .

ทั้งหมดที่มีรายละเอียดก่อนหน้านี้การแสดงในการพึ่งพาทุนเกือบจะสำคัญมาก และส่วนใหญ่เป็นปัจจัยจำกัดการออกแบบในทางปฏิบัตินวัตกรรม เนื่องจากว่าเราได้ให้วิจัยคุณสมบัติทางพลศาสตร์ของโครงสร้างไดโอดมุมมองมากที่สุด ซึ่งในปัจจุบันสามารถใช้งานได้จริงใน PFC และวงจรแปลงสำหรับ [ 2 ] [ 3 ] .

ในส่วนแรกของบทความนี้ การอธิบาย และ qspeed SIC โครงสร้างทำ หลังจากนั้นการศึกษาคุณสมบัติเชิงพลศาสตร์ของไดโอดในการเลือกพารามิเตอร์วงจรต่างๆในการสลับโหมด Hard จะถูกแสดง ในที่สุด การเสนอและเลือกไดโอดใน PFC สำหรับแปลงเกิดขึ้นโดยอิทธิพลของไดโอดต่อประสิทธิภาพของแปลง พบ [ 4 ] [ 5 ] .

2 คุณสมบัติของไดโอดสารกึ่งตัวนำไดโอด

ชอบอื่น ๆใด ๆที่ไม่ได้มีอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดถ้าเลือกไม่ถูกต้องสำหรับไดโอดได้รับใบสมัครแล้วไดโอดพารามิเตอร์สามารถเพิ่มเปิด

ซึ่งการสูญเสียของพลังงานทรานซิสเตอร์ ( MOSFET , IGBT ) และแม้กระทั่งสำหรับไดโอดนั่นเอง ความเป็นเอกเทศของพื้นที่การใช้งาน นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆของไดโอดซึ่ง

ทุกคนมีความสามารถเฉพาะของ :

- ต่ำ VF กับ QRR สูงและ trr

-

trr VF ปานกลาง และ ปานกลาง- VF สูงและต่ำ

trr กล่าวถึงการพัฒนาทำให้บางชนิดของไดโอดพิเศษ ; พฤติกรรมเหล่านั้นสามารถขจัดผลที่ยอมรับไม่ได้ในโหมด active หรือ passive ของอุปกรณ์ ไดโอดชอทท์กี้

SBD - บาร์เรีย ) ของไดโอดชนิดนี้ใช้โลหะ - สารกึ่งตัวนำแก้ไข Junction ความแตกต่างจาก PN Junction ดีกว่า

( เกิดจากพลวัตโดยการดำรงอยู่ของซี. ร้อนอิเล็กตรอน