Диоды Шоттки от ST – самый широкий выбор

Кремниевые силовые диоды Шоттки уже много лет как стали привычными компонентами. Широко известны их основные преимущества – сниженное (по сравнению с «обычными» кремниевыми диодами) прямое падение напряжения и отсутствие накопления заряда, задерживающего выключение диода (т.е. потенциально лучшие частотные свойства).

Однако ничто в технике не дается бесплатно. За улучшение одних свойств всегда приходится чем-то платить, не только деньгами, но и изменением других характеристик. Чем больше таких зависимостей, тем больше оказывается «степеней свободы» при оптимизации элемента под конкретное применение. Не являются исключением из этого правила и диоды Шоттки.

В конструкции «обычных» диодов этих «степеней свободы» в общем, всего три, и они мало влияют друг на друга – площадь p-n перехода, уровень легирования (удельное сопротивление) высокоомной области и время жизни неосновных носителей. Прямое падение напряжения в установившемся режиме при заданном токе зависит в основном от температуры и площади p-n перехода, и то очень слабо: от площади – по логарифмическому закону (минус ~20mV на удвоение площади/снижение тока вдвое), от температуры – в пределах +1...-2mV/°C. Удельное сопротивление материала высокоомной области у «обычных» диодов благодаря эффекту модуляции проводимости почти не влияет на прямое падение напряжения. Время жизни носителей определяет время обратного восстановления диода на основе p-n перехода (и косвенно – его ток утечки).

Для диодов Шоттки время жизни носителей не имеет прямого влияния на характеристики диода в рабочих режимах, но зато добавляется две других «степени свободы». Это выбор величины потенциального барьера (то есть, фактически, порогового напряжения – и тока утечки) и необходимость обеспечения защиты от перенапряжений (незащищенный переход Шоттки, в отличие от обычного p-n перехода, практически всегда выходит из строя при пробое обратным напряжением). Именно поэтому внутри подавляющего большинства диодов Шоттки есть еще и параллельно включенный p-n переходный «охранный» диод. Кроме того, у диодов Шоттки есть сильная связь между удельным сопротивлением высокоомной области и прямым падением напряжения на больших токах (из-за отсутствия механизма модуляции проводимости). Отсутствие же эффекта модуляции проводимости уменьшает устойчивость диодов к ударному току, что вынуждает увеличивать площадь перехода (снижать плотность тока). Из-за этого емкость диодов Шоттки, отнесенная к единице номинального тока, как правило, выше, чем у обычных диодов. Наглядный пример – UF4001 имеют емкость около 15...20 пФ, 1N5819 – около 50...80 пФ (при обратном напряжении 4V). По той же причине диоды Шоттки изготавливают с более «плотным» рядом по величине допустимого обратного напряжения – чтобы не вводить излишний запас, увеличивающий прямое сопротивление диодов.

Даже из этого упрощенного описания видно, что в конструкции диодов Шоттки намного больше вариантов для выбора компромиссов, чем в «обычных» диодах.

Именно поэтому разнообразие типов диодов Шоттки столь велико. И для осмысленного выбора лучших (для требуемого применения) вариантов нужно учитывать большее число параметров, чем при выборе «обычных» диодов. Высоковольтным диодам Шоттки на основе карбида кремния была посвящена статья [1], однако в применениях с рабочими напряжениями ниже 100...200V лучшие характеристики (благодаря меньшему прямому падению напряжения) в настоящее время обеспечивают кремниевые диоды Шоттки.

Диоды Шоттки от STMicroelectronics

Одним из лидеров по выпуску высококачественных диодов Шоттки является компания ST Microelecronics (далее – ST), входящая в десятку лидеров в производстве компонентов для силовой электроники (См. табл. 1...5). Ряд продуктов ST просто уникален: к примеру, никто больше не в состоянии массово производить 30+30 А/170V диоды Шоттки в корпусе ТО-220.

Таблица 1. Диоды Шоттки на ток до 200 мА...1А

Таблица 2. Диоды Шоттки на ток до 2...3 А (включая сдвоенные, для них – данные одного диода)

Таблица 3. Диоды Шоттки на ток до 2...3 А (включая сдвоенные, для них – данные одного диода)

Таблица 4. Диоды Шоттки на ток до 10...25 А (включая сдвоенные, для них – данные одного диода)

Таблица 5. Диоды Шоттки на ток до 30...120 А (включая сдвоенные, для них – данные одного диода)

Обозначение выпрямительных диодов Шоттки у ST состоит из следующих элементов:

• префикса STPS (ST Power Shottky);
• первого числа, указывающего номинальный ток в амперах;
• необязательного суффикса (например, H, L, M, S, SM, U), указывающего серию диодов: H – высоковольтные/высокотемпературные (Tj MAX= 150...175°C), L - с низким VF, U - Ultra Low VF (для относительно высоковольтных диодов);
• второго числа - допустимого обратного напряжения в Вольтах;
• необязательного буквенного обозначения схемы соединений: с общим катодом - C, одиночных в многовыводном корпусе - S;
• буквенного обозначения типа корпуса: 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.

Пример: STPS160U – диод Шоттки на 1А, 60V, в корпусе SMB.

При выборе диодов Шоттки нужно четко различать две группы областей применения – относительно низкочастотную коммутацию (OR-ing источников питания, cуммирование напряжений, выпрямление 50/60 Гц с минимальными потерями), где нужны минимальные потери от прямого падения напряжения и/или токов утечки, и применение в высокочастотных импульсных преобразователях, где важна минимальная величина общих потерь, то есть нужен минимум суммы статических и динамических потерь.

Диоды, оптимизированные для первой группы применений – это диоды с минимальными прямыми падениями напряжения, получаемыми, как правило, за счет больших площадей переходов (больших емкостей), или специальные микросхемы с использованием управляемого МОП-транзистора, внешне выглядящие как диод, но с чрезвычайно малым падением напряжения. Пример первого подхода – изделие ONSemi MBRB2515, с V_F ~250mV при токе 56 А, и с емкостью перехода, приближающейся к 10 нФ. Диод подобного класса от ST – STPS40L15CT, сдвоенный и с примерно вдвое меньшей емкостью переходов. Пример второго подхода – диод от ST SPV1001T40, V_F ~80...100mV при токе 5...6 А, 230...250mV при токе 15 А. Преимущество этого решения от ST очевидно.

Что же касается диодов Шоттки для применения в DC/DC-конверторах, то минимальные общие потери совершенно необязательно обеспечит диод с минимальным V_F. Особенно при широком диапазоне нагрузок (когда нужно учитывать потери не только от прямого падения напряжения, но и от токов утечки – их величина экспоненциально зависит не только от температуры, но и от начального падения напряжения). Связано это с тем, что за снижение прямого падения напряжения приходится платить либо ростом площади перехода (и емкости диода, что приводит к росту коммутационных потерь, пропорциональных fґСдU2/2), либо резким ростом тока утечки (когда для минимизации прямого падения напряжения выбрано практически нулевое пороговое напряжение за счет подбора материала контакта металл-полупроводник). Примером диода, имеющего минимальные емкости, но небольшой диапазон рабочих токов и температур, может служить поставляемый NXP PMEG1030 (3A, 10V), обратный ток которого при температуре перехода 25...30°C составляет около 1 мА, но при 125°C достигает порядка 100 мА (это не опечатка!).

ST Microelectronics, как один из лидеров в силовой электронике, предлагает, пожалуй, самую широкую в индустрии гамму диодов Шоттки на токи от 0,5 до 200 А, оптимизированных по соотношению статических и динамических потерь.

Обратим к примеру, внимание на серию ULVF. STPS50U100C – сдвоенный (25+25 А) 100V диод в корпусе ТО-220, обладающий одновременно низким прямым падением напряжения (~600mV при 15 А/диод) и умеренными как токами утечки (~10 мА при 125°C), так и емкостью перехода (~2200 пФ при 0V, ~1500 пФ при 10V, с резким снижением выше 20V, до 300 пФ на 100V). Потери переключения каждого такого диода на частоте 100 кГц составляют десятые доли ватта, на частоте 500 кГц – единицы ватт.

Далее, для популярных в настоящее время максимально компактных применений ST выпускает серию 15/30 А диодов в корпусе для поверхностного монтажа Power Flat (PQFN8) – его высота чуть больше 1 мм, размер в плане – 5х6 мм. Это STPS15L30CDJF (7,5+7,5 А), STPS3045DJF, STPS30M100DJF, STPS30U100DJF, STPS30120DJF, STPS30170DJF. Эти диоды рассчитаны на использование в печатных платах с малым тепловым сопротивлением, например, на металлическом основании.

Для сильноточных применений ST производит самые мощные диоды Шоттки из имеющихся в корпусах TO-220 (STPS40M100CT, STPS40120CT, STPS50U100C, STPS60H100CT, STPS60150CT, STPS60170CT, STPS61L45CT, STPS61L60CT) и TO-247/MAX247 (STPS61H100CW, STPS80L60CW, STPS80H100CY, STPS80150CY, STPS80170CY). Наличие столь мощных диодов в стандартных широко распространенных корпусах позволяет упростить и удешевить конструкцию устройств с их применением.

Для приложений, требующих еще больших токов, ST выпускает сдвоенные диоды в изолированном корпусе ISOTOP/ISOT4D (SOT227) – STPS80H100TV, STPS120L15TV, STPS12045TV, STPS160H100TV, STPS24045TV, STPS200170TV (ток до 100...120 А на диод, напряжение 15...170V).

Другой край ассортимента – диоды, оптимизированные для маломощных применений, такие как STPS0520Z(0,5 А, 20V) – емкость ~120 пФ при 1V, ~35 пФ при 20V, VF ~320...350mV при 0,5 А, ток утечки ~80 мкА при температуре перехода 30°C и ~5 мА при 100°C. Такие диоды, благодаря малым емкостям и умеренным утечкам – очень полезный компонент для самых распространенных относительно маломощных преобразователей. Малые емкости позволяют поднять рабочую частоту без ущерба для КПД. Аналогичную область применения имеют диоды BAT30, TMBAT49, TMBYV10-40, TMBYV10-60, BAT20, BAT60.

Естественно, кроме этих «марочных» продуктов, ST выпускает аналоги популярных стандартных продуктов, от BAT30-0X, BAT41, BAT42, TMBAT49, TMBYV10-40, TMBYV10-60, BAT60, 1N5817-1N5819, 1N5821-1N5822, до MBR20100 (STPS20S100C).

Весьма существенной особенностью большинства диодов Шоттки от ST является подробное нормирование динамических тепловых параметров и работы в режиме лавинного пробоя (абсорбции выбросов перенапряжений, возникающих, к примеру, на индуктивностях монтажа). Это позволяет использовать диоды с меньшим допустимым обратным напряжением, получая выигрыш либо в виде снижения потерь (за счет меньших V_F и/или Cд), либо снижения стоимости комплектующих. Экономия на стоимости диодов возможна благодаря тому, что вместо диодов с большим максимальным напряжением часто можно выбрать диод, рассчитанный на меньшее максимальное напряжение и максимальный ток, но обеспечивающий при данном рабочем токе то же значение потерь и V_F, что и более высоковольтный, рассчитанный на больший ток. В результате получается, что можно либо снизить потери в выпрямителях примерно на 20...25%, либо на примерно такую же величину снизить стоимость используемых диодов.

Однако автор хотел бы предостеречь от распространенной ошибки – попытки использования диодов Шоттки «на пределе» по току, особенно в схемах с «жестким» переключением токов. Во-первых, это крайне нежелательно с точки зрения динамических потерь, поскольку при больших токах (соответствующих падениям напряжения более 0,6...0,9V в зависимости от типа диода) в структуре диодов Шоттки начинает работать параллельно включенный p-n переходный «охранный» диод. В первую очередь это проявляется появлением накопления заряда выключения, что может вызывать большие импульсные токи/напряжения.

Во-вторых, нужно помнить, что нагрев диодов Шоттки почти не влияет на прямое падение напряжения при больших токах, но вызывает резкий рост токов утечек. Последнее опасно проявлением эффекта саморазогрева обратными токами. Увеличение размера радиатора, необходимое для предотвращения этого риска, часто в итоге обходится дороже, чем использование диодов на больший ток, имеющих меньшие статические потери. Нормирование лавинных характеристик у диодов ST в этом отношении оказывается весьма кстати, поскольку позволяет обойтись диодами на минимальное обратное напряжение (и соответственно, как более дешевыми, так и имеющими меньшее V_F).

В заключение стоит сказать, что номенклатура быстродействующих выпрямительных диодов, производимых ST, не ограничивается диодами Шоттки. ST производит большое число UltraFast-диодов (trr ~50...80 нс), в том числе высоковольтных (на напряжения до 1200V) и токи до 60 А/диод, 120 А на корпус (серия STTH). В ряде случаев их применение обеспечивает еще меньшие динамические потери, чем у диодов Шоттки (за счет меньших емкостей переходов), см. например структуру PFC, описанную в US pat.№ 6987379.

Естественно, в производственной программе ST есть и большое число «малосигнальных» диодов Шотки, таких как BAS70-0X, BAR18, TMM6263, TMMBAT41...43, TMMBAT46, TMMBAT48, BAT54.

Стоит также отметить, что многие изготовители до сих пор считают излишним предоставлять SPICE-модели своих диодов. У ST их можно получить на сайте. Качество этих моделей, конечно, не идеальное, но они вполне пригодны для оценочных расчетов с «инженерной точностью», т.е. с погрешностями не более 10...20%.

Примечания к таблицам

1. Величины прямых падений напряжения даны для температуры перехода 25°C, максимальные значения (типовые – на 50...80mV меньше), с указанием тока в амперах. ТКН прямых напряжений при малых токах всегда отрицателен, но при больших токах – часто может становиться положительным, особенно для диодов с UR > 40...60V.

2. Величины обратных токов (IR) даны типовые, в миллиамперах.

3. IFSM – величина однократного ударного тока в виде одного полупериода частоты 50 Гц, амплитудное значение.

4. Емкость диода – величина нелинейная, здесь дана в пикофарадах при обратном напряжении 4V. Позволяет оценить порядок динамических потерь переключения (точнее, заряда переключения) в большинстве схем применения.

5. «ВАХ» – условный параметр. Качественно описывает поведение диода при больших токах. «R» – резистивный характер, «R+» – резистивный с заметным положительным ТКН, «D» – «диодный» (сильно выражено влияние параллельного p-n переходного диода), «D-» – диодный с выраженным отрицательным ТКН, «DёR» – нечто среднее.

6. Звездочкой («*») отмечены сдвоенные диоды.