電力電子器件中的分立整流器是決定性組件，影響著電動汽車中的“車載充電器”等重要單元的效率、可靠性和尺寸。近年來，碳化硅 （SiC） 肖特基二極管已成為電力電子領域最先進的整流器技術。然而，碳化硅整流器通常在 650V 及更高電壓下使用，與硅基解決方案相比，它們的價格更高。然而，有許多低于 650V 的電力電子應用需要具有成本效益的解決方案，而不會影響設備的可靠性和性能。Nexperia 開發了一種基于硅鍺 （SiGe） 的新型整流器技術，適用于 100-200V 范圍內的應用。

硅鍺 （SiGe） 整流器提供卓越的效率和熱穩定性

硅鍺 （SiGe） 整流器結合了硅肖特基整流器的效率和快速恢復整流器的熱穩定性，使工程師能夠優化 100V-200V 電源設計以實現高效率。

Nexperia 現在提供的 SiGe 整流器旨在用于車輛、服務器和通信基礎設施中的應用。這些符合 AEC-Q101 標準的 SiGe 整流器提供更大的安全工作區域，在高達 175°C 的溫度下不會出現熱失控，特別適用于暴露在高環境溫度下的應用。

之前在 100V-200V 范圍內設計整流器電路時，工程師不得不在效率和工作溫度之間做出妥協。雖然肖特基整流器提供非常高的效率，但它們會在高于特定溫度閾值時遭受熱失控。這意味著它們的使用僅限于汽車電子控制單元 （ECU） 或燃油噴射系統中的電源電路，例如，這些系統通常在 150°C 以上的溫度下運行。

另一種方法是使用快速恢復整流器。它們具有非常高的熱穩定性，但它們具有非常高的正向電壓，這會影響它們的效率。

SiGe 和理想的整流器性能

SiGe 技術的特點包括比硅更小的帶隙、更快的開關頻率和更高的本征電荷載流子密度。這些特性在高頻開關行為方面具有優勢：這就是在射頻晶體管中采用 SiGe 器件的原因。在此之前，SiGe 二極管僅在學術文獻中進行了理論上的討論，無法用于實際實現。

近年來，Nexperia 一直在開發 SiGe 整流器技術，并且已經擁有多項該工藝的專利，解決了對高效和高溫操作的明顯沖突需求。

圖 1 顯示了 Nexperia 新型 SiGe 整流器內部結構的簡化圖。為增強其性能，它們采用兩引腳夾焊 FlatPower （CFP） 封裝（CFP3 和 CFP5），可提供出色的散熱性能。這種封裝設計與肖特基和快速恢復整流器的引腳兼容。

圖 1：肖特基整流器和 SiGe 整流器的結構比較

如圖 2 所示，新器件保持高熱穩定性，擴展了安全工作區——在本例中為 140°C，這是肖特基整流器開始熱失控的溫度。SiGe 整流器在 175°C（CFP 封裝的規定限值）的溫度下仍保持穩定。當芯片內產生的反向功率超過封裝可以耗散的功率時，就會發生熱失控。在這一點上，漏電流的增加變得超指數。

圖 2：肖特基整流器和 SiGe 整流器的漏電流與外殼溫度的關系

如圖 3 所示，快速恢復整流器的正向電壓通常約為 0.9V。相比之下，Nexperia 的第一個 SiGe 二極管具有 1nA 的低漏電流，如曲線所示，這相當于大約 0.75V 的正向電壓，比快速恢復整流器好大約 150mV。

結果是傳導損耗減少了大約 20%。這如何轉化為效率取決于多種因素，最重要的是應用程序的占空比。粗略估計，在熱穩定性與最佳快速恢復二極管相同的情況下，可以預期效率提高 5-10%。

圖 3：肖特基、SiGe 和快速恢復整流器的正向電壓與漏電流的權衡。SiGe 整流器的漏電流比肖特基整流器低約兩個數量級，正向壓降比快速恢復整流器低約 20%。

SiGe 在高溫開關應用中的優勢

除了這些優點之外，與肖特基整流器相比，SiGe 整流器顯示出改進的開關性能，例如在 48V/12V DC-DC 轉換器中。與類似的肖特基整流器相比，SiGe 整流器具有更低的反向恢復電荷和更低的反向恢復電流，從而導致更低的開關損耗和更低的快感。

這些優勢直接提高了 DC-DC 轉換器的效率（見圖 4）。在高頻下，開關損耗成為總體損耗的主要貢獻者：在這里，SiGe 整流器比肖特基整流器更有效。

圖 4：48V/12V DC-DC 轉換器在 130kHz 和 500kHz 之間的開關頻率下的效率。將 3A SiGe 整流器與 3A 肖特基整流器進行比較。SiGe 整流器在高頻下的效率提高是因為開關損耗較低。

總之，即使在高溫環境下工作時，SiGe 整流器也是開關模式電源的合適選擇。它們結合了肖特基整流器的高效率和快速恢復整流器的熱穩定性和安全操作。

審核編輯：郭婷