Обзор продукции компании Caly Technologies

Компания Caly Technologies не особо известна отечественным производителям электроники, так как ориентирована в основном на разработку под заказ. Между тем ряд ее серийных изделий благодаря своим характеристикам заслуживает особого внимания. В данной статье рассмотрена доступная в настоящее время серийная продукция компании, ее ключевые параметры, варианты схемотехнического применения и рекомендации по практическому использованию.

Введение.

            Компания Caly Technologies занимается разработкой и производством полупроводниковых электронных компонентов, выполненных преимущественно на основе карбида кремния (SiC). Специализирующаяся в основном на изготовлении защитных устройств и приборов силовой электроники, она имеет богатый опыт проектирования изделий на заказ, при котором ключевые параметры, функциональные особенности, варианты корпусного исполнения и необходимый перечень квалификационных испытаний определяются из технического задания клиента. К типовым заказным изделиям компании относятся защитные TVS супрессоры, токоограничивающие диоды, тиристоры, карбид-кремниевые диоды Шоттки, полевые и биполярные транзисторы, транзисторы со структурой “металл-оксид-полупроводник” и т.д. Характерными чертами предлагаемых устройств являются превосходные эксплуатационные характеристики, а также широкий диапазон рабочих напряжений (от сотен В до десятков кВ) и токов в пределах от мА до десятков А. Благодаря тесному сотрудничеству с заказчиками на всех стадиях проектирования и получению от них обратной связи удается получить высокоэффективные устройства, качество которых подтверждено практикой. В дальнейшем особо успешные изделия выделяются в отдельные серии и становятся доступными для всех потребителей.

            В настоящее время линейка серийной продукции Caly Technologies представлена защитными токоограничивающими диодами (CLD, Current Limiting Diode) и силовыми диодами Шоттки с номинальной мощностью до 3,3 кВ [1]. Использование первых, к примеру, позволяет защитить схемы от вредоносного воздействия мощных грозовых разрядов или ограничить величину пускового тока в  батарейных источниках питания и преобразователях напряжения. Вторые служат для повышения энергоэффективности и уменьшения массогабаритных показателей мощных AC/DC и DC/DC преобразователей, а также успешно применяются в схемах драйверов электродвигателей постоянного тока. Все доступные компоненты выполнены с применением карбид-кремниевой технологии изготовления, что означает возможность функционирования на высоких рабочих частотах при повышенных температурах эксплуатации и снижение требований к системе охлаждения. Основные области применения: альтернативная энергетика, транспортные средства, системы светодиодного освещения, информационно-вычислительные центры, роботизированные технологические линии, спутники, радары и многие другие устройства промышленного, аэрокосмического и медицинского назначения.

Токоограничивающие диоды.

Любое современное электронное оборудование, особенно высоконадежное, требует наличия средств защиты от электрических перегрузок. Перегрузки отличаются уровнем мощности, наиболее опасными среди них являются перепады напряжения, представляющие собой случайные пульсации с амплитудами большими, чем рабочие напряжения в цепи. Они возникают в результате воздействия кратковременных электромагнитных импульсов естественного происхождения (мощные грозовые разряды), а также за счет внутренних переходных процессов, вызванных коммутацией емкостных или индуктивных нагрузок (электродвигатели, генераторы), или электростатическими разрядами (ESD). Характеристики помех зависят от типа воздействия. Например, разряды молний представляют собой высокоэнергетические импульсы с длительностью от нескольких десятков до тысяч микросекунд и очень большими токами (десятки кА). Амплитуда электростатических разрядов может достигать 35 кВ, при этом возбуждаемый сигнал имеет длительность фронта около 1 нс. Соответствующие грозовым и электростатическим разрядам тестовые сигналы, используемые для испытания электротехнической аппаратуры, регламентируются международными и отраслевыми стандартами IEC 61000, RTCA/DO-160 и Telcordia GR-1089-CORE.

Влияние электромагнитных импульсов на электронные компоненты приводит к изменению их параметров, в основном за счет непосредственного поглощения энергии. Чрезвычайно малое время нарастания и большое пиковое значение выбросов могут вызвать катастрофическое разрушение устройств, выполненных на дискретных полупроводниковых приборах и интегральных схемах, и выход их из строя.

Для защиты от паразитных воздействий широко используются специализированные приборы, обеспечивающие проводящие пути для устранения помех. Помимо традиционных плавких предохранителей среди них можно отметить TVS (Transient Voltage Suppression) диоды, газовые разрядники и металлооксидные варисторы. Целесообразность использования того или иного компонента (а также их совместного применения) зависит от множества влияющих факторов: уровня рабочих напряжений, быстродействия схем, стоимости и т.д. На практике широко распространена П-образная защитная схема, представленная на рис. 1 [2].   

Рис. 1 – Типовая схема защиты входных цепей от электрических перегрузок.

Варисторы, газонаполненные разрядники и TVS супрессоры в отличие от плавких предохранителей являются элементами многократного действия. При отсутствии импульсных перенапряжений они обладают высоким сопротивлением и пренебрежительно малым током и ведут себя как диэлектрики. При броске входного напряжения в силу нелинейности своих характеристик, защитные элементы резко уменьшают свое сопротивление до долей Ома, и шунтируют нагрузку, так что основной ток помехи протекает через них, а не через защищаемую аппаратуру.

TVS диоды, выпускаемые чаще всего в компактных корпусах для планарного монтажа, отличаются широким диапазоном рабочих напряжений, высокой долговечностью и возможностью организации многоканальных решений. Низкая собственная паразитная емкость, не влияющая на сигнальные и логические линии, позволяет использовать их в различных интерфейсах связи. Они являются самыми быстродействующими среди перечисленных компонентов, поэтому срабатывают в первую очередь. Спустя некоторое время, требуемое для запуска внутренних процессов, к защите подключаются варисторы и/или разрядники, имеющие более низкие рабочие напряжения для надежного функционирования всей схемы. Они допускают значительно больший ток и обеспечивают основное поглощение энергии помехи, рассеивая ее в виде тепла.

Для уменьшения величины рассеиваемой мощности на TVS диоде до момента срабатывания варистора или разрядника последовательно подключается токоограничивающий элемент. В самом простом случае это резистор, при выборе номинала которого необходим компромисс. С одной стороны

для снижения потерь резистор должен иметь минимальное сопротивление, с другой – он должен быть достаточно большим, чтобы ограничить ток, идущий к TVS диоду, до допустимого значения. Кроме того, он подвержен сильному влиянию температуры и совместно с емкостью супрессора способствует уменьшению рабочей полосы частот, что недопустимо в случае защиты высокоскоростных коммуникационных интерфейсов. Более привлекательной альтернативой является использование специальных токоограничивающих диодов (рис. 2). Данный подход позволяет существенно уменьшить максимально допустимую рассеиваемую мощность, а также габариты и стоимость применяемых TVS диодов.

Рис. 2 – Формы импульсов помехи в П-образной защитной схеме при использовании токоограничивающего диода и постоянного резистора.

От обычных выпрямительных диодов и стабилитронов CLD диоды отличаются внутренней структурой и вольт-амперной характеристикой. По своей сути каждый элемент данного типа представляет собой n-канальный полевой транзистор с закороченным на исток затвором, который ведет себя как полупроводниковый резистор с нелинейным эквивалентным сопротивлением. До определенного уровня, заданного напряжением насыщения V_SAT, его характеристика соответствует обычному постоянному резистору (рис. 3а). При превышении этого порога, например в результате действия импульса помехи, CLD диод переходит в режим насыщения, в котором ток поддерживается на определенном уровне независимо от величины напряжения на выводах компонента. В данном режиме его также можно использовать как источник тока, в частности в схемах светодиодного освещения. Помимо V_SAT токоограничивающие диоды описываются четырьмя основными параметрами: сопротивлением в обычном состоянии R_ON (типовые значения от 500 мОм до 10 Ом), током насыщения I_SAT (от 1 до 30 А), максимальным номинальным током до насыщения I_NOM (от 400 мА до 3 А) и максимальным рабочим напряжением до пробоя V_MAX (до 1,7 кВ). Стоит отметить, что CLD диоды могут быть как однонаправленными, так и двунаправленными (рис. 3б), что позволяет применять их в цепях постоянного и переменного тока.

Рис. 3 – ВАХ однонаправленных (а) двунаправленных (б) CLD диодов.

Токоограничивающие диоды производства компании Caly Technologies выполнены в виде монолитных двух- или трехвыводных дискретных компонентов (рис. 4). Характеризуются высоким быстродействием (время реакции менее 100 нс), широкой полосой пропускания (от 0 до единиц ГГц) и высокой долговечностью (выдерживают тысячи срабатываний без ухудшения основных параметров).

Рис. 4 – Внешний вид CLD диодов Caly Technologies.

            Они хорошо подходят для защиты силовых цепей или линий данных в интерфейсах SDI/HD-SDI и LVDS, CAN шинах, радиочастотных трактах приемников различных стандартов и т.д. Возможность функционирования в высоковольтных приложениях обеспечивается применением при изготовлении карбид-кремниевой технологии.

            KE12LS060 – однонаправленный CLD диод, рассчитанный на максимальное напряжение 1200 В и способный ограничивать импульсные токи величиной до 20 А (типовое значение при длительности импульса 1 мкс). Номинальное значение R_ON составляет всего 600 мОм, а переход в режим насыщения происходит при напряжениях выше 1,3 В. KE12LS060 может обеспечить защиту от короткого замыкания в течение 250 мкс при амплитуде паразитного воздействия 600 В и 80 мкс при 1200 В. Стабильность рабочих характеристик гарантируется в широком диапазоне температур эксплуатации (от -55 до +175 °С). В настоящее время доступно три модификации диода, отличающиеся вариантом конструктивного исполнения: в виде бескорпусного кристалла (добавляется литера B в конце наименования), в корпусе для планарного монтажа SMB (SB) и в стандартном двухвыводном корпусе типа TO-247 (T47). KE12LS060B имеет повышенную до +210 °С верхнюю границу температурного диапазона.

            KE12LEB150T20 объединяет в одном трехвыводном корпусе TO-220 два одинаковых элемента. Схема с общим анодом позволяет использовать KE12LEB150T20 в качестве однонаправленного (при замыкании катодов между собой), или двунаправленного диода. Максимальное рабочее напряжение составляет те же 1200 В, а номинальный постоянный ток (I_NOM) 2 А. Величина сопротивления R_ON зависит от температуры перехода и в худшем случае не превышает 2,5 Ом. На рис. 5 показана реальная динамическая характеристика диода KE12LEB150T20, работающего в двунаправленном режиме.

Рис. 5 – Измеренная динамическая характеристика диода KE12LEB150T20 (синим цветом) и типовая форма импульса, вызванного ударом молнии, с параметрами 900 В, 1,2/50 мкс (красным).

            Двунаправленный 1200 В диод KE12LEB800S223 предоставляет улучшенную защиту от короткого замыкания (не менее 450 мкс при напряжении импульса 600 В). Выпускается в типовом малогабаритном корпусе SOT-223, другие варианты корпусного исполнения возможны по запросу к производителю. Также стоит отметить, что в ближайшее время будут доступны компоненты с максимальными рабочими напряжениями 1700 В.

            SiC диоды Шоттки.

            Как известно, одним из основных требований, предъявляемых к мощным импульсным источникам электропитания, является их высокая энергоэффективность. На практике существенный вклад в потери мощности вносит эффект обратного восстановления используемых высоковольтных диодов. Современные кремниевые изделия отличаются высокими значениями обратного напряжения (более 1 кВ) и способны коммутировать токи в сотни ампер, технология их изготовления хорошо отлажена. Но также верно и то, что в процессе совершенствования своих возможностей они достигли физических пределов. Например, допустимое рабочее напряжение мощного Si диода зависит от толщины кристалла. Чтобы создать диод, способный работать без пробоя с напряжениями до 1200 В, потребуется общая толщина слоя кремния в 120 мкм [3]. Массивная полупроводниковая структура вызывает не только увеличение стоимости и габаритов изделия, но и неизбежно приводит к повышению потерь мощности. Снизить их пытаются за счет внедрения областей различной формы, увеличивающих число неосновных носителей. В результате при выключении диода требуется дополнительное время на рассасывание этих носителей, типовое время обратного восстановления обычно находится в диапазоне 25-100 мкс. Все это ухудшает их быстродействие и ограничивает возможность использования высоковольтных Si диодов в цепях с рабочей частотой выше 1 кГц.

            В связи с этим во многих применениях на смену им пришли диоды, выполненные на основе карбида кремния (SiC). Их главное достоинство заключается в исключительных динамических характеристиках, основная причина которых – незначительный заряд обратного восстановления (десятки нКл). Для сравнения на рис. 6 показаны характеристики выключения Si и SiC диодов при различных температурах эксплуатации.

Рис. 6 – Зависимость тока обратного восстановления от типа полупроводника и температуры
эксплуатации.

            Форма тока, протекающего через SiC диод, имеет характер переходного процесса, амплитуда которого не зависит от температуры, отсутствие токов восстановления обеспечивает практически чистый фронт сигнала. Результатом этого является уменьшение прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники и возможность работы с частотами более 500 кГц. В свою очередь увеличение частот коммутации позволяет уменьшить габариты трансформаторов, индуктивностей и конденсаторов выходных фильтров.

            Кроме того, стоит отметить, что большая ширина запрещенной зоны материала обеспечивает работу при повышенных температурах, гарантируя долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации. При этом, критическая напряженность электрического поля, на порядок превышающая соответствующий показатель у Si, позволяет значительно улучшить все основные электрические характеристики. Примером успешного использования достоинств карбида кремния стало семейство мощных высоковольтных диодов Шоттки, производимых компанией Caly Technologies (таблица 1).

            Таблица 1 – Основные характеристики SiC диодов компании Caly Technologies.

В настоящее время компания предлагает изделия с диапазоном рабочих токов 2-50 А и максимальными обратными напряжениями 1200, 1700 и 3300 В. Предназначенные преимущественно для устройств средней и большой мощности, SiC приборы Caly Technologies стабильно функционируют в диапазоне температур -55..+175 °С. Вся линейка выгодно отличается высокой скоростью переключения, не зависящей от температуры эксплуатации, малой емкостью перехода (десятки пикофарад) и низким тепловым сопротивлением переход-корпус, не превышающем для ряда моделей 0,8 °С/Вт. Емкость перехода имеет ярко выраженную зависимость от обратного напряжения, ее значение, доступное в документации, указывается для предельного V_R (рис. 7). Также стоит отметить малый ток утечки, полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC. Например, у диода KE12DJ05T20 его величина составляет всего 2 мкА при +25 °С (47 мкА при увеличении температуры до +175 °С).

Рис. 7 – Зависимость емкости перехода от обратного напряжения для диода KE12DJ05T20.

            На рис. 8 показана типовая зависимость тока диода KE12DJ05T20 от прямого падения напряжения для различных температур. Поскольку с ростом температуры у карбида кремния снижается подвижность электронов и повышается сопротивление в открытом состоянии, прямое падение напряжения, в отличие от кремниевых диодов, имеет положительный температурный коэффициент. Это значительно упрощает параллельное соединение диодов, так как в этом случае не требуются дополнительные меры по выравниванию токов.

Рис. 8 – Прямая вольт-амперная характеристика диода KE12DJ05T20.

            Для заказа доступны одиночные диоды либо сдвоенные с общим катодом. Конструктивно они выпускаются в герметичных корпусах промышленного стандарта для планарного и сквозного монтажа (TO-252, TO-220, TO-247 и TO-263). Кроме корпусированных приборов возможна поставка диодов в виде кристаллов для использования их сторонними производителями, например, в качестве антипараллельных диодов отдельных IGBT или MOSFET транзисторов или в составе силовых модулей.

            Маркировка SiC диодов Шоттки производства Caly Technologies включает зашифрованное название компании, рейтинги тока и напряжения, тип корпуса и состоит из следующих полей:

• префикса K (Caly Technologies);
• литеры E, обозначающей расширенный диапазон рабочих температур (E = -55..+175 °C);
• первого числа, указывающего на допустимое обратное напряжение (12 – 1200 В, 17 – 1700 В и 33 – 3300 В);
• суффикса DJ, определяющего тип устройства (DJ – диод Шоттки);
• второго числа, указывающего номинальный прямой ток в амперах;
• буквенного-цифрового обозначения типа корпусного исполнения: B – бескорпусной кристалл, T52 – двухвыводный корпус TO-252 (DPAK), T20 – двухвыводный TO-220, T47 – трехвыводный TO-247, T63 – двухвыводный TO-263 (D2PACK).

            Пример: KE33DJ02T47 – диод Шоттки на 2 А и 3300 В, в корпусе TO-247.

            Предлагаемые полупроводниковые приборы могут быть востребованы в целом ряде приложений силовой техники, например, в корректорах коэффициента мощности, источниках бесперебойного питания, импульсных преобразователях напряжения, зарядных устройствах, установках индукционного нагрева, высоковольтных умножителях, драйверах электродвигателей, преобразователях энергии для солнечных батарей и ветровых турбин и т.д. Использование данных диодов особенно целесообразно и экономически выгодно при работе на повышенных частотах и напряжения. Некоторые типовые схемы применения приведены на рис. 9.

Рис. 9 – Типовые схемы применения SiC диодов Шоттки Caly Technologies: а) повышающий DC/DC преобразователь; б) мостовой импульсный преобразователь; в) резонансный LLC преобразователь; г) умножитель напряжения.

Заключение.

Продукция компании Caly Technologies не отличается большим разнообразием, но может быть полезна при разработке оборудования самого различного назначения. Токоограничивающие диоды, обладающие высоким быстродействием, широкой полосой частот и длительным сроком эксплуатации, помогают избежать негативных последствий скачков напряжения, вызванных ударами молний, электростатическими разрядами и рядом других причин. Линейка высоковольтных SiC диодов Шоттки с обратными напряжениями до 3,3 кВ, рабочими токами до 50 А и максимальной допустимой температурой перехода до 175 °С доступна в различном корпусном исполнении и полностью соответствует современным требованиям рынка силовой электроники. Их ключевое преимущество – минимальное время обратного восстановления носителей заряда.

Список используемой литературы.

1. Официальный сайт компании Caly // https://caly-technologies.com/
2. Jean-Baptiste Fonder. Improving Performance of Surge Protection Circuits with Current Limiting Devices. // Application note, August 2018.
3. Гавриков В. Дорогу карбиду кремния! – диоды Шоттки производства Littelfuse. // Новости электроники. 2017, №4, с. 17-21.