Les structures MOS en tranchée offrent plusieurs avantages par rapport aux solutions traditionnelles à jonction p-n. Découvrez-les ici.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec les Systèmes de Puissance Bodo.
Les diodes Schottky à barrière (SBD) possèdent plusieurs caractéristiques clés qui les distinguent des diodes à jonction p-n. Tout d’abord, leur construction : dans les diodes à jonction p-n, la jonction est formée entre des matériaux semi-conducteurs de type p et de type n, tandis que les SBD présentent une jonction métal-semi-conducteur. En raison de la jonction métal-semi-conducteur qui présente une barrière plus petite pour le flux de courant comparée aux diodes à jonction p-n, elles ont une chute de tension directe plus faible (VF plus faible). Cela conduit à une commutation plus rapide et plus efficace, ce qui fait des SBD un bon choix pour les applications à haute fréquence telles que les alimentations et les redresseurs. Les SBD affichent également un courant de fuite inverse plus élevé que les diodes à jonction p-n et ont un TRR (temps de récupération inverse) presque nul, leur permettant de passer rapidement de l’état conductif à l’état non conductif.
Figure 1. La gamme de diodes Schottky à barrière YQ propose des options pour diverses applications, de l’automobile à l’industriel. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les diodes Schottky sont souvent utilisées dans des applications où la vitesse de commutation rapide, la faible chute de tension directe et le faible temps de récupération inverse sont critiques, telles que la redressement, le cloisonnement, et les circuits de protection dans les alimentations, les régulateurs de tension, et les circuits RF. Le principal problème des SBD concerne leur sensibilité à la température, car leur chute de tension directe augmente avec la température due à la chaleur générée, ce qui conduit à des inefficacités problématiques.
Structure MOS en Tranchée
Les deux types de structures MOS (Semi-Conducteur Métal-Oxyde) de base utilisées pour les SBD sont la structure planaire et la structure en tranchée, comme comparé dans la Figure 2. En général, les structures MOS en tranchée (comparées aux structures planes) montrent une faible résistance dans la couche de substrat épitaxiale lors du polarisation directe, entraînant un faible VF. Durant la polarisation inverse, IR est réduit parce que la concentration du champ électrique est atténuée.
La structure MOS planaire se compose d’une couche métallique, d’une couche métallique Schottky et d’un film d’oxyde sur une couche épitaxiale N- sur un substrat N+, toutes empilées les unes sur les autres. La structure MOS en tranchée se compose d’une couche métallique sur une couche métallique Schottky. En dessous se trouve la couche épitaxiale avec des tranchées entourées par un film d’oxyde contenant une couche de polysilicium. Sous la couche épitaxiale N se trouve la couche de substrat.
La Figure 2 illustre la répartition du champ électrique lorsqu’il est appliqué dans la direction inverse. Dans la structure planaire traditionnelle, le champ électrique est concentré à la jonction métallique ; cependant, la structure en tranchée propriétaire de Rohm atténue la concentration du champ électrique avec la plus forte intensité de champ se produisant là où le film d’oxyde touche la couche épitaxiale N. Lorsqu’il est appliqué dans la direction inverse, la concentration du champ électrique est improbable. La couche épitaxiale présente un faible IR même avec une faible résistance ; lorsque appliquée dans la direction directe, elle affiche une faible résistance, et un VF plus bas est atteint, entraînant des efficacités plus élevées dans les applications de redressement.
Figure 2. Comparaison de la structure MOS planaire à la structure MOS en tranchée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Diodes à barrière Schottky de la série YQ
Rohm a introduit la série YQ SBD avec une tension de claquage de 100 V pour des circuits d’alimentation et de protection dans des applications automobiles, industrielles et grand public. Comme l’illustre la Figure 3, la série YQ fait partie de la gamme SBD de puissance de Rohm.
Figure 3. La gamme SBD de puissance de Rohm, y compris la série YQ. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La structure MOS en tranchée propriétaire de Rohm réduit simultanément le VF et l’IR pour diminuer les pertes de puissance, y compris la perte réduite lorsqu’elle est utilisée dans les applications en polarisation directe. Les pertes de commutation globales sont réduites d’environ 26 % par rapport aux produits de type MOS en tranchée généraux. Elles affichent également un TRR de classe leader de 15 ns, réduisant les pertes de TRR d’environ 37 % lors des applications de commutation. La série YQ présente également un risque moindre de fuite thermique.
Performances
Les SBD sont réputées pour une plus grande miniaturisation, des pertes réduites dans les applications pour les marchés automobile, industriel et équipements grand public, ainsi qu’une réduction du VF et de l’IR. La série YQ atteint un TRR de classe leader de 15 ns par rapport à 19 ns pour les produits MOS en tranchée standard (IF de 3 A et VR de 48 V), comme indiqué dans la Figure 4. Notez que cela concernait IF = 3 A, VR = 48 V et di/dt = -200 A/µs.
Figure 4. Comparaison du TRR de la série YQ à deux solutions SBD de puissance équivalentes. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les Figures C et D comparent les résultats des caractéristiques IF-VF et capacité-VR pour les produits au format TO-277 dans la classe 100V/10A pour le YQ10RSM10SD et les équivalents SBD de puissance de trois autres entreprises.
La Figure 5 montre que le YQ10RSM10SD possède l’une des caractéristiques VF les plus basses, presque équivalente au produit de l’entreprise A, ce qui implique que ces deux SBD ont les pertes de conduction les plus faibles. En revanche, le VF des produits des entreprises B et C est plus élevé d’environ 10 à 20 %, entraînant des pertes de conduction plus élevées que pour le YQ10RSM10SD et l’entreprise A.
Figure 5. Courant direct vs. tension directe pour le YQ10RSM10SD comparé à trois autres solutions SBD équivalentes. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Sur la base des caractéristiques capacitance VR illustrées dans la Figure 6, le YQ10RSM10SD présente les pertes de commutation les plus faibles grâce à une capacité la plus petite (environ la moitié) par rapport aux produits A, B et C.
Figure 6. Capacité de jonction vs. tension inverse pour le YQ10RSM10SD comparé à trois autres solutions SBD équivalentes. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Spécifications Techniques
La Figure 7 montre la gamme YQ en fonction des emballages et résume les principales spécifications techniques.
Figure 7. La gamme SBD YQ. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Cas d’utilisation : Phares Automobiles
Il existe de nombreuses applications pour les SBD de la série YQ, y compris les phares à LED pour automobiles, les convertisseurs CC-CC xEV, les alimentations pour équipement industriel et l’éclairage. Une application courante est le redressement du bloc élévateur dans le circuit périphérique des phares à LED automobiles. Le circuit est montré dans la Figure 8, où le SBD de puissance MOS est encadré en rouge, le bloc élévateur en jaune, et le bloc de commutation du côté faible en bleu.
Figure 8. Circuit pour le redressement du bloc élévateur dans le circuit périphérique des phares à LED automobiles. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Ces circuits pour phares à LED automobiles fonctionnent dans des conditions scellées, ce qui signifie que les températures peuvent devenir très élevées. Pour compliquer les choses, le nombre d’ampoules dans les phares automobiles a augmenté, et la taille des circuits imprimés a diminué ces dernières années, entraînant des conditions de génération de chaleur sévères et des températures très élevées.
Une SBD de puissance pour ce type d’application devrait présenter un faible VF et IR avec une excellente dissipation thermique pour réduire la possibilité de risque de fuite thermique, ce que la SBD de puissance YQ parvient à réaliser.
En utilisant le pilote LED automobile BD18353EFV-M et sa carte d’évaluation, comme montré dans la Figure 9, l’efficacité de conversion de puissance et la génération de chaleur d’un YQ10RSM10SD (100 V/10 A/TO-277) ont été comparés à des produits similaires d’autres entreprises. La Figure 9 illustre le MOSFET de commutation en bleu, et un RD3P100SNFRA (100V/10A/TO-252) a été utilisé.
Figure 9. Image de la carte d’évaluation et schéma du circuit. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 10 montre la carte d’évaluation et le circuit utilisé. Cette évaluation a été réalisée en échangeant la diode de redressement, encadrée en rouge, dans le bloc élévateur. D’après les résultats de la carte d’évaluation des phares à LED, lorsqu’un produit MOS en tranchée standard est comparé au produit de la série YQ (voir Figure 10), la perte de TRR est réduite d’environ 37 % et les pertes de commutation sont réduites de 26 %.
Figure 10. Comparaison des pertes de commutation mesurées sur une carte d’évaluation de phare à LED. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La Figure 11 montre l’efficacité et la température de surface de l’emballage Tc. Premièrement, il a été confirmé que le YQ10RSM10SD (avec d’excellentes caractéristiques de VF et de capacité) présente la plus haute efficacité de conversion de puissance et maintient Tc à la température la plus basse à 55.8°C. L’efficacité des produits B et C est significativement inférieure, et le Tc est significativement plus élevé à 61.0°C et 59.2°C, respectivement, même avec le même emballage, en raison d’un VF élevé. Même si A a une caractéristique VF équivalente à celle du YQ10RSM10SD, l’efficacité est inférieure et le Tc (58.0°C) est plus élevé à cause de ses pertes de commutation plus élevées.
Figure 11. Résultats de comparaison de l’efficacité et de la température de surface de l’emballage utilisant le YQ10RSM10SD par rapport à une solution équivalente de trois autres entreprises, A, B et C. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La série SBD YQ possède une structure MOS en tranchée propriétaire qui offre plusieurs avantages par rapport aux solutions traditionnelles à jonction p-n. L’un des avantages est un compromis entre IR et VF qui conduit à une meilleure efficacité et moins de génération de chaleur. Ces diodes Schottky à barrière de 100 V offrent un TRR leader dans l’industrie et sont idéales pour les circuits de protection et d’alimentation utilisés dans les applications industrielles, automobiles et grand public.
Cet article est à l’origine paru dans le magazine les Systèmes de Puissance Bodo [PDF]. Image de présentation utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock.