ダイオード・インコーポレイテッド、製品マーケティングマネージャー、シェーン・ティモンズ
ほぼすべての電子機器や電気システムの設計において、電力効率を最大化することが重要です。モバイルデバイスでは、電力効率が向上するとバッテリー寿命が長くなり、それが重要なセールスポイントとなります。基本的にどのアプリケーションでも、電力効率を向上させることは、サイズと重量を削減し、熱管理を簡素化してコストを削減できることを意味します。もちろん、消費電力を抑えることは、製品がエネルギー定格要件を満たすことにも役立ちます。これは法的要件である可能性があり、顧客にとって魅力的な機能です。
多くの製品では、エネルギー効率の最大の向上は、使用される電源または電圧コンバータで実現できます。その結果、パワー半導体デバイスのベンダーは長年にわたり、エネルギー効率の段階的な改善に取り組んできました。
現在、独自のディープ トレンチ プロセスに基づくデバイスがあり、これにより電源のパフォーマンスと効率が大幅に向上します。それがスーパー バリア整流器 (SBR®) です。自動車の照明から再生可能エネルギー、消費者向け製品まで、幅広い用途で標準ショットキー ダイオードとまったく同じように使用できます。
この記事では、SBRを紹介し、その特性を説明し、自動車のデイライト ランニング ランプのアプリケーション例でSBRをどのように使用できるかについて説明します。
SBRテクノロジーの説明
SBRは、 Diodes Incorporated が開発した独自の特許技術であり、従来のショットキー ダイオードに使用されるバイポーラ プロセスではなく、金属酸化物半導体 (MOS) 製造プロセスを使用して製造されます。
MOSチャネルの存在により、多数キャリアに対する低い電位障壁が形成され、低電圧でのショットキー ダイオードと同様の順方向バイアス性能が得られます。ただし、P-N空乏層の重なりと電位障壁の減少がないため、リーク電流は大幅に低くなります。
SBRはショットキー ダイオードと同じ電子回路図記号で表されます。実際には、内部構造はMOSFETに似ており、ゲート端子とソース端子が接続されてSBRアノード端子が形成されます。MOSFETドレインはSBRカソードとして機能します。
SBRは、優れた温度安定性とアバランシェ耐量を備え、リーク電流が少ないだけでなく、あらゆる回路でダイオードのように動作するため、同等のショットキー デバイスの代替品として使用できます。
つまり、SBRは効率を即座に向上させ、デバイス ケースの温度を下げることで熱管理を簡素化し、信頼性を高めることができます。これは、PCBを再設計したり、コンポーネントを追加したりすることなく実現できます。さらに、SBRは、予測できない電力フローや落雷などの危険に耐える高いサージ電流定格を備えており、PNエピタキシャル ダイオードの熱安定性と高い信頼性特性を備えています。
SBRによる効率性の向上
昇降圧コンバータでは、従来の整流ダイオードに比べて順方向電圧降下 (VF) が低く、スイッチング能力が高速であるため、ショットキー ダイオードが最も効率的なオプションとして選択されます。一方、逆漏れ電流は比較的高く、温度とともに増加します。
SBRはショットキー ダイオードのように動作しますが、スイッチング コンバーターで使用するとより高い効率が得られます。その構造により、順方向電圧と逆回復時間は同程度ですが、漏れ電流ははるかに低く、温度への依存性が低くなります。雪崩耐性も大幅に向上し、耐久性が向上しました。
下の表1 は、SBRと、同様の逆電圧および電流定格を持つ一般的なショットキー ダイオードのフリーホイール性能を左右する主要なパラメータを比較したものです。リーク電流は85°Cで18 µAに対して1.7 µAと大幅に低く、ショットキー ダイオードでは125°Cの高温でリーク電流の大きな増加も見られることがわかります。
表1: SBRと一般的なショットキーダイオードの比較
応用例: 自動車照明
LEDベースの外部照明は、主に電力消費が少ないことから、自動車用途で急速に標準になりつつあります。
業界では常にLED照明システム、特に安全機能として車の使用中に継続的に点灯するデイタイム ランニング ランプ (DRL) の効率をさらに向上させることを目指しています。
「常時オン」機能として、LED DRLを改善する1つの方法は、LEDドライバ/コントローラ回路で行われる電力変換の効率を高めることです。バックブースト トポロジは、LEDに必要な駆動電圧を含むDC-DC変換を提供するために、多くの自動車アプリケーションで一般的に使用されます。
図1 は、 Diodes Incorporated のZXLD1371昇降圧LEDドライバ/コントローラを搭載した簡略化された回路を示しています。これは、通常、スイッチングMOSFET (Q1) とフリーホイール ダイオード (D1) を含む一般的な回路です。
図1: DRLアプリケーション用昇降圧LEDドライバの簡略回路図
これは昇圧コンバーターなので、MOSFETとフリーホイール ダイオードのピーク電流は平均LED電流よりもはるかに大きくなります。つまり、これら2つのコンポーネントの伝導損失とスイッチング損失は、コンバータ全体の電力消費に大きな影響を与える可能性があります。
より高い効率、より低温での動作
表1 図に示すように、ZXLD1371 LEDドライバ/コントローラによって制御される同一のバックブーストDRL電源のSBRとショットキーダイオードを比較しました。 図1。特に、ショットキー ダイオードのリーク電流がいかに高いか、また温度とともにそれがいかに上昇するかを示しました。その結果、SBRは大幅な効率上の利点を実現します。この値は周囲温度が高いほど大きくなり、図に示すようにショットキー回路の効率は6%も低下します。 図2 そして 3。
図2: 25での効率比較°周囲温度
図3: 85での効率比較°周囲温度
両方の回路の効率を周囲温度に対してプロットすると（図4）は、温度とともに効率が低下することを示しています。これはダイオードVの増加とふ、リーク電流、スイッチング損失、およびシステム全体の損失が発生します。SBRの優れた温度安定性により、ショットキー ダイオードを使用する回路と比較した場合、この効率の低下が最小限に抑えられます。
図4: SBR効率の利点は、周囲温度が高いほど大きくなります。
SBRの優れた効率によりエネルギーが節約され、デバイスの動作温度も低下します。図5 SBRケースの温度が一貫して約5℃であることを示しています。°周囲温度範囲全体にわたってショットキー ダイオードよりもC低くなります。DRL LED照明アプリケーションの例では、温度が低いため、設計者はヒートシンクのサイズとコストをより柔軟に管理できると同時に、必要なシステム信頼性も実現できます。
図5: SBRケース温度の低下により、熱管理と信頼性設計が容易になります
幅広い用途
Diodesは、幅広い電圧定格とパッケージ スタイルをカバーするSBRを提供しており、DC-DC変換、バッテリー充電器、逆極性保護など、産業、民生用電子機器、通信、コンピュータ システムの多くのアプリケーションに最適です。
スイッチングモード電源 (SMPS) やソーラーインバータなどのアプリケーションには、最大300Vの高電圧定格のデバイスが利用できます。自動車向けでは、SBR10M100P5Qを含むQシリーズのSBRは、特定のアプリケーション要件に合わせて最適化されており、AECQ101高信頼性自動車規格に準拠し、PPAPレベル3ドキュメントによって裏付けられています。
SBRの効率性から恩恵を受けることができるもう1つの用途は、バイパス ダイオードを置き換えることができるソーラー パネルです。極めて低いVF により温度上昇が最小限に抑えられ、システムの信頼性が向上します。また、SBRは動作温度範囲が広く、太陽光発電業界の安全規格IEC 61730-2への準拠が保証されています。
結論
SBRはパワー半導体設計における真の革新であり、電力変換性能の飛躍的向上と効率の大幅な向上を実現します。ショットキー ダイオードと比較すると、SBRはリーク電流の低減、スイッチング性能の向上、同等またはより低いVF、優れた温度安定性を提供し、さらに動作温度が低いという利点もあります。
SBRはドロップイン交換品として使用でき、再設計の必要がないため、市場投入までの時間を短縮できます。SBRは優れた性能と信頼性を実現し、さまざまなアプリケーションにわたって電力コンバータが最新のエコ設計目標と安全基準を満たすことを可能にします。