전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2018.05.10 Si 파워 디바이스

다이오드란? – 패스트 리커버리 다이오드의 특징

Si 다이오드란?

이번에는 패스트 리커버리 다이오드 (이하 FRD)의 특징과 특성 개선, 그리고 어플리케이션에 대해 설명하겠습니다.

Si-FRD의 특징

Si-FRD는 PN 접합에 의한 다이오드로, 고속성이 특징이며, Trr은 고속입니다. 또한, 일반적으로 VF가 높다는 점도 특징이라고 할 수 있습니다. 예를 들어 범용 10A 수준의 VF는 약 2V입니다. 이는 Trr의 고속성과 VF가 트레이드 오프 관계이기 때문입니다. 그러나, VF가 대폭 저감된 타입도 개발되어, 어플리케이션에 따라 최적의 Si-FRD를 선택할 수 있습니다.

하기 표는 Si-FRD의 특징과 각각에 적합한 어플리케이션을 정리한 것입니다. 표 안의 「×」 표기는 다른 종류에 비해 열악하거나, 적합하지 않다라고 이해하여 주십시오.

Si_1-4_tb1

초고속 타입은 VF가 높지만, 역전류 IR이 낮아, 손실이 적으므로 연속 모드의 PFC (역률 개선) 용도로 적합합니다.

고속 Low VF 타입 (밸런스 타입)은 범용성이 매우 높아, 다양한 어플리케이션에서 FRD의 고속성을 이용할 수 있습니다.

초저 VF 타입은 IR 특성이 다소 열등하지만, Low VF로 도통 손실을 저감할 수 있으므로, 피크 전류가 큰 임계 모드의 PFC에 적합한 특성입니다.

하기 그래프는 VF와 Trr이 트레이드 오프 관계임을 나타낸 그래프입니다. 주황색의 경우, VF는 낮지만, Trr이 길어 그 사이의 IR도 큰 FRD입니다. 적색의 경우는 그 반대 특성입니다. 고속일 경우 VF가 높고, Low VF일 경우 Trr / IR이 크다는 점을 알 수 있습니다.

Si_1-4_trrvf

Si-FRD의 노이즈

EMC의 관점에서 스위칭 전원을 비롯한 스위칭으로 인한 노이즈는 중요한 검토 사항입니다. Si-FRD는 Trr이 고속이므로 역회복 시, 즉 Trr 사이에서 노이즈가 발생합니다. 하기 그림은 역회복 시의 노이즈와 개선 후의 이미지입니다. IRp는 FRD OFF 시의 역전류 최대치를 나타냅니다. 또한, 회복의 기울기 / 급준함을 dir / dt로 나타냅니다. IRp를 작게 하고, dir / dt를 완만하게 하면 역회복 시의 노이즈를 작게 억제할 수 있습니다.

Si_1-4_noise1

로옴은 실제로 이와 같이 저노이즈의 「소프트 리커버리」 타입으로 불리우는 Si-FRD 개발에 성공하였습니다.

IRp를 작게 하고 dir / dt를 완만하게 하기 위해서는 각각에 별도의 개선책을 취할 필요가 있습니다. 먼저, IRp를 저감하기 위해 P형 실리콘 (애노드)의 불순물 농도를 낮추었습니다. 이에 따라, 리크 전류가 저감되어 IRp가 감소했지만, dir / dt는 급준한 상태이므로 노이즈가 아직 남아 있어, 트레이드 오프 관계로 인해 VF가 상승한다는 과제가 있었습니다.

Si_1-4_noise2

다음으로 기울기를 완만하게 하기 위해, 라이프 타임 킬러로서 플래티늄 (Pt) 확산을 실시, 라이프 타임을 단축함으로써, dir / dt를 완만하게 할 수 있었습니다. 라이프 타임은 PN 접합에 있어서 OFF / 역 바이어스 시의 소수 캐리어가 재결합하여 원래 상태로 돌아가기 까지의 시간으로, 이것이 길면 잔류하는 캐리어에 의해 전류가 흐르는 등의 현상이 발생합니다. 라이프 타임 킬러는 재결합 속도를 빠르게 하여 라이프 타임을 단축합니다. 일반적으로 라이프 타임 킬러로서 불순물을 확산시킵니다. 이 경우는 Pt가 됩니다.

제조 프로세스에 대한 내용이므로, 관련이 없으신 분은 어렵게 느껴질 것입니다. 이러한 2가지 대책을 베이스로 하여 최종적으로는 Trr과 VF 특성을 거의 유지함과 동시에 역회복 노이즈를 대폭 억제한 Si-FRD를 실현하였습니다. 하기의 실제 파형은 소프트 리커버리 타입 (적색)과 표준 타입 (청색)의 비교입니다. 소프트 리커버리 타입은 노이즈가 매우 적다는 점을 명확히 알 수 있습니다.

Si_1-4_noise3

Si-FRD의 Trr과 VF에 따른 어플리케이션 이미지

마지막으로 하기 그림은 Si-FRD의 특성과 각각에 적합한 어플리케이션의 이미지입니다. 앞서 설명한 바와 같이, 고속 Trr 타입은 VF가 높고, Low VF 타입은 Trr이 저하된다는 기본적인 경향을 바탕으로 어플리케이션의 특성에 적합한 것을 선택할 수 있습니다.

PFC의 경우, BCM (임계 모드)에서는 VF가 매우 낮은 제품, CCM (연속 모드)에서는 Trr이 매우 고속인 제품이 각각 손실 저감에 기여합니다.

또한, 노이즈가 저감되어 VF와 Trr의 트레이트 오프가 최적화된 타입은 매우 폭넓은 어플리케이션에 대응 가능합니다.

Si_1-4_appli

키 포인트

・Si-FRD의 특성은 실리콘에 확산되는 불순물에 따라 달라진다.

・Si-FRD의 VF와 Trr은 트레이드 오프 관계이다.

・역회복 시의 노이즈는 스위칭 전원 어플리케이션에서 나쁜 영향을 미치므로, 개량형이 개발되었다.

실리콘 파워 디바이스의 특징을 활용한 어플리케이션 사례